一种使用真空紫外光实现气相沉积中不同粒子可控离化的方法技术

本发明专利技术涉及气相沉积技术领域，具体涉及一种使用真空紫外光实现气相沉积中不同粒子可控离化的方法，使用真空紫外光对气相沉积过程中的气相粒子(或固相靶材表面的原子)进行光电电离，从而针对不同种类的粒子，设计不同的离化率调控方案，实现薄膜显微组织结构、化学成分等的针对性精准调控，进一步显著的优化多层结构、梯度结构、纳米复合结构等气相沉积薄膜的性能/功能，如：机械性能、力学性能、摩擦学性能、光学性能、电学性能、磁学性能、介电性能、半导体带隙及特性等各类性能/功能，因此具有不可替代的重要意义。不可替代的重要意义。不可替代的重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种使用真空紫外光实现气相沉积中不同粒子可控离化的方法


[0001]本专利技术涉及气相沉积
，具体涉及一种使用真空紫外光实现气相沉积中不同粒子可控离化的方法。

技术介绍

[0002]气相沉积制备薄膜的过程中，高的离化率是实现对离子束流能量、方向、密度、分布状态等进行有效控制的重要前提。进一步地，实现对不同粒子的离化率的相对独立控制，是气相沉积制备薄膜过程中一个极难实现，却极为重要的技术要求。当前使用的所有提高气相沉积中粒子离化率的技术手段，均为通过高能量的引入，无差别的提高所有气相粒子的离化率，无法针对不同结构(或成分、组分等)，针对性的调整离化率比例，优化调控方案，从而无法实现更为精准的针对性调控，很大程度上限制了结构、成分越来越复杂的新一代薄膜的开发：1)初始阶段的薄膜结构/成分设计受限于现有离化率解决方案，最优方案不得不向可行方案妥协；2)沉积过程中对不同粒子离化率的无差别提升，限制了对薄膜结构/成分的调控范围，阻碍了对薄膜的性能/功能的进一步提升与优化；3)现有提升离化率的技术手段也带来了各种问题，如镀膜基材温度上升(如电弧镀)、大颗粒(如电弧镀)、沉积速率低(如高功率脉冲磁控溅射，即HiPIMS)、成本高(如HiPIMS，激光引弧电弧镀——需要单独的脉冲激光器及相关配套电源等)等。
[0003]对于物理气相沉积技术，主要包含磁控溅射技术、真空蒸发镀技术、真空电弧镀技术及近些年出现并获得快速发展的高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术等。传统的磁控溅射技术及真空蒸发镀技术的离化率均很低，使得沉积制备的薄膜在生长过程中缺少高能离子对成膜表面的持续轰击作用，导致薄膜致密性较差，与基体材料结合力不佳等；另外，还存在基于离子束流轰击的薄膜显微组织结构调控效果不明显等不足。真空电弧镀技术的沉积粒子离化率高，制备涂层致密。然而，其电弧的产生往往伴随着大颗粒液滴的形成，使得制备的薄膜存在表面颗粒缺陷，影响薄膜光洁度、附着力、耐蚀性、耐磨性及力学性能等；另外，电弧产生的离子初始能量高，易导致基体明显升温，因此不适用于温度敏感基体(如前序处理经过低温热处理的材料、轻合金、有机高分子材料等)。高功率脉冲磁控溅射技术可产生高度离化的溅射材料，并且产生高密度且不含金属液滴等大颗粒缺陷的离子束流。辅以适当基体偏压，可实现对生长中的薄膜的可控离子轰击，从而实现对薄膜结构、内应力等的有效控制，获得性能显著提升的高质量薄膜。然而，高功率脉冲磁控溅射技术当前最大的缺点是沉积速率慢，主要原因是溅射阴极回吸效应，气体稀释效应以及金属离子自溅射溅射产额通常低于Ar离子溅射产额等。另外，HiPIMS放电稳定性和工艺重复性都较差，目前较少应用于工业化批量生产。
[0004]对于化学气相沉积技术，通常是通过加热或加压等手段控制反应方程，或提高反应速率。通过提高参与化学反应的各类气相反应粒子的离化率，可以大幅增加气体反应速率，同时显著降低反应温度，增加成膜率，从而实现对温度敏感基体的表面镀膜，在工业生
产中具有重要意义。目前，提高气相反应粒子离化率的方式主要有添加高频(射频、高频等)电场、介质层阻挡放电增强、电子回旋共振等方法或技术手段。然而，上述手段成本较高，结构复杂。而且，引入电场的手段，会影响镀膜腔室内的电磁场分布，对腔室内的等离子体分布状态及均匀性、离子束流控制等，都需要在镀膜设备设计阶段即进行统筹的一体化设计，增加了设计难度，提高了设计成本，且通用性差，后期改动困难。
[0005]鉴于上述缺陷，本专利技术创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本专利技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于解决现有的提高气相反应离子离化率的方法无法针对不同种类的粒子，设计不同的离化率调控方案，实现薄膜显微组织结构、化学成分等的针对性精准调的问题，提供了一种使用真空紫外光实现气相沉积中不同粒子可控离化的方法。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术公开了一种使用真空紫外光实现气相沉积中不同粒子可控离化的方法，基于光电效应原理，选用具有一定光波波长的真空紫外光源(对应一定的光子能量)，对气相沉积过程中具有特定电离能的气相粒子(或固相靶材表面的原子)进行选择性电离，从而有选择性的提高某一种(某一类)气相/固相粒子离化率。
[0008]所述气相粒子或固体表面原子为中性粒子或低价离子。
[0009]所述真空紫外光为具有一定光谱范围的非激光紫外光；所述非激光紫外光的峰值强度对应的光子能量高于所属于气相粒子的第n电离能，n为不小于1的整数。
[0010]所述真空紫外光为具有固定光波波长的激光紫外光
[0011]所述具有固定光波波长的激光紫外光的特征光波波长对应的光子能量高于所述气相粒子的第n电离能，n为不小于1的整数。
[0012]当通过两束或两束以上的具有一定光波波长分布特征的真空紫外光对气相沉积过程中的至少一种特定的气相粒子或固体表面原子进行光致电离时，每束真空紫外光针对不同的气相粒子或固体表面原子进行光致电离；、
[0013]当通过两束或两束以上的具有一定光波波长分布特征的真空紫外光对气相沉积过程中的至少一种特定的气相粒子或固体表面原子进行光致电离时，所述不同的气相粒子是同一种粒子的中性态与其某价电离态离子，也可以是同一粒子的不同价态的离子；
[0014]当通过两束或两束以上的具有一定光波波长分布特征的真空紫外光对气相沉积过程中的至少一种气相粒子或固体表面原子进行光致电离时，每束真空紫外光的功率密度可以被独立控制。
[0015]这种使用真空紫外光提高气相沉积过程离化率的方法，通过控制真空紫外光源的输出功率，可以实现对其照射区域内的气相沉积粒子的离化率提高幅度进行有效控制；选用通过控制真空紫外光源的输出功率密度，可以实现对单位体积内的气相沉积粒子的离化率提高幅度进行有效控制。
[0016]紫外激光提高气相粒子离化率的机理是光电效应，其基础理论描述是爱因斯坦提出的光电效应方程，如公式(1)所示。
[0017]E
k
＝hυ
‑
W0(1)
[0018]其中，E
k
为逸出电子的最大初动能，h为普朗克常数，υ为入射光光子的频率，W0为金属的逸出功。
[0019]发生光电效应时，电子克服原子核的引力逸出后，所具有的的动能并不相同。对金属而言，其表面的电子吸收光子后逸出时动能最大，称为最大初动能，也就是公式(1)中的E
k
。而逸出功则对应金属被光子照射时，电子直接从金属表面逸出所需要做的功。
[0020]虽然气相粒子的光致离化基本原理是光电效应，但逸出功与电离能并不等同。金属材料的逸出功(一般是基于材料整体的表面)不但与材料的性质有关，还与金属表面的状态有关。例如，在金属表面涂覆不同的材料也可以改变金属逸出功的大小。而第n(n≥1，为整数)电离能考虑的是气相原子(只考虑单个原子)失去n个电子所需要的最小能量。因此，逸出功与电离能的数值一般不同。例如，几种金属的逸出功与第一电离能如表1所示。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种使用真空紫外光实现气相沉积中不同粒子可控离化的方法，其特征在于，通过至少一束具有一定光波波长分布特征的真空紫外光，对气相沉积过程中的至少一种气相粒子或固体表面原子进行光致电离。2.如权利要求1所述的一种使用真空紫外光实现气相沉积中不同粒子可控离化的方法，其特征在于，所述气相粒子或固体表面原子为中性粒子或低价离子。3.如权利要求1所述的一种使用真空紫外光实现气相沉积中不同粒子可控离化的方法，其特征在于，所述真空紫外光为具有一定光谱范围的非激光紫外光。4.如权利要求3所述的一种使用真空紫外光实现气相沉积中不同粒子可控离化的方法，其特征在于，所述非激光紫外光的峰值强度对应的光子能量高于所属于气相粒子的第n电离能，n为不小于1的整数。5.如权利要求1所述的一种使用真空紫外光实现气相沉积中不同粒子可控离化的方法，其特征在于，所述真空紫外光为具有固定光波波长的激光紫外光。6.如权利要求5所述的一种使用真空紫外光实现气相沉积中不同粒子可控离化的方法，其特征在于，所述具有固定光波波长的激光紫外光的特征光波波长对应的光子能量高于所述气相粒子的第n电离能，n为不小于1的整数。7.如权利要求1所述的一种使用真空紫外光实现气相沉积中不同粒子...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兴光，郑军，王启民，赵栋才，张林，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：