无污电弧定向气相沉积（SA-DVD）及其相关方法技术

一种等离子体辅助定向气相沉积工艺，其利用无污电弧定向气相沉积（SA-DVD）方法来在定向气相沉积设备中产生等离子体。通过电子或其他高强度定向能量束蒸发由被包含在水冷却坩埚中的一个或多个源材料产生蒸气。该蒸气被夹带在跨音速氦气或其他气体射流中并且被输运到基板用于沉积。用于蒸发的电子或其他定向能量束被同时用于电离所述蒸气和形成射流的气体（氦气，或其他包括惰性气体和反应气体的组合的气体）。被放置在电子束撞击位置附近的阳极吸引在定向能量束与靶表面的相互作用期间形成的散射电子，并使得能够形成密度高的等离子体。该等离子体首先朝向基板被夹带蒸气的气体射流通过离子拖拽机制输运。然而，如果基板是充分带电的（被电偏置），则等离子体离子被朝向基板静电加速，并且该额外的动量有助于在部件表面上的沉积和蒸气输运。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及从点状蒸气源的物理气相沉积的领域。更具体地说，本专利技术处于等离子体辅助定向气相沉积的子领域。
技术介绍
定向气相沉积(DVD)是一种物理气相沉积(PVD)工艺，其将低真空电子束(EB)蒸发与流动气体流(气体射流)中的蒸气夹带组合以将一个或多个蒸发剂有效地沉积在基板上。等离子体激活定向气相沉积(PA-DVD)是一种PVD技术，其将电子束与等离子形成技术组合以允许产生受控成分、结构和残余应力的涂层。在PA-DVD的先前实施例中，通过空心阴极放电来产生等离子体。在该工艺中，一起被容易电离的惰性气体射流携带的低电压电子被注射到寻求等离子体激活的区域中。注射可以以与夹带蒸气的气体射流成任何角度地发生。将形成等离子体的气体射流与夹带蒸气的气体射流对齐的共轴概念对于许多应用是优选的。然而，DVD工艺借助空心阴极放电的等离子体激活存在几个缺点。第一，从空心阴极发射的等离子体源的工作气体形成高速射流，该高速射流的轴通常与蒸气输运的方向成一定角度。通过空心阴极的工作气体射流可能将在蒸气输运射流中夹带的缓慢移动的或轻的(即低动量)蒸气粒子从基板散射开，尤其是当与输运蒸气的射流垂直地取向时。第二，该方式需要使用相当大的等离子体工作气体流速，其具有不利的经济后果除了气体消耗之外，它还需要更强大的输运蒸气的载运气体射流，并且因此需要更高容量的抽气系统。第三，空心阴极等离子体源及其供给和控制单元对于维护是昂贵且费力的。例如，在现有装置中辐射加热器线圈用于启动放电。这些加热器经受频繁故障，导致需要更换。第四，加热器并且还有空心阴极本身的缓慢但是稳定的汽化(由于它们的高操作温度和离子撞击)产生污染物，所述污染物被并入所沉积的层中。应当注意DVD工艺的由于空心阴极放电的这最后四个缺点甚至在较新的将空心阴极放电与蒸气输运对齐的空心阴极技术中也有效。存在对用于DVD工艺的改善的等离子体激活设备和方法的需要，以便消除现有的基于空心阴极的等离子体激活方案的缺点并开发用于高速、经济且洁净的沉积的新方式。
技术实现思路
本专利技术的实施例的一个方面提供一种等离子体辅助定向气相沉积工艺，其利用无污电弧定向气相沉积(SA-DVD)方法来在定向气相沉积设备中产生等离子体。通过电子或其他高强度定向能量束蒸发由被包含在水冷却坩埚中的一个或多个源材料产生蒸气。该蒸气被夹带在跨音速氦或其他气体射流中并被输运到基板用于沉积。用于蒸发的电子或其他定向能量束被同时用于微弱地电离所述蒸气和形成射流的气体(氦气，或包括惰性气体和反应气体的组合的其他气体)。被布置并放置在电子束撞击位置附近且连接到电源的阳极吸引在定向能量束与靶表面的相互作用期间形成的散射电子，并使得能够形成朝向用作阴极的蒸发剂的表面燃烧的电弧放电。电弧放电促进了密度高的等离子体。首先借助通过离子拖拽机制的夹带蒸气的气体射流朝向基板来输运该等离子体。然而，如果基板是充分带电的(被电偏置)，则等离子体离子被朝向基板静电加速，并且该额外的动量有助于在部件表面上的沉积和蒸气输运。由于没有形成等离子体的气体被注射到沉积中，本专利技术的实施例的该方面因此克服了许多与使用共轴空心阴极用于DVD工艺中的等离子体激活相关联的问题，并导致产生低成本等离子体辅助概念。代替地，载运气体射流用于夹带蒸气羽(vaporplume)作为该工艺的一部分。 本专利技术的实施例的一个方面因此克服了许多与使用共轴空心阴极用于DVD工艺中的等离子体激活相关联的问题。例如，本专利技术的一些实施例的方面中的一些可以与下述有关 所描述的电弧放电在所蒸发的材料的蒸气中以及在气体射流中燃烧，由此避免了附加等离子体工作气体不得不被释放到沉积室中。电弧等离子体被局部化并且与蒸气流的形状和传播对齐。这样，没有出现定向蒸气羽的有害特性。·高等离子体密度、高离子产生率以及高电离度(大约50%范围)是该方法的特点。这些是这样的方面,这些方面被提供以达到大得足以匹配高沉积速率(大约15 μ m/min范围)并稳定地运行放电的冷凝粒子的平均能量的升高，而不管当在DVD工艺中相遇时被气体射流拖走的电荷载体。·该设备和方法降低了等离子体源的复杂性，避免了磨损零件并消除了污染源，其导致产生易于维护和低成本等离子体激活的概念。本专利技术的实施例的概念还允许蒸气被喷射在大面积上，而同时利用有效的等离子体辅助来控制涂层结构和特性。在一种方式中，这可以例如通过将互相邻近的一组坩埚布置成链或阵列，每个配备有独自的阳极或共同阳极以及用于产生输运蒸气的气体射流的装置，或者通过利用用于控制气体射流的方向的装置扫描至少一个坩埚的蒸气羽来实现。而且，如果基板被脉冲偏置，则在基板附近的大多数正离子可以在当基板带负电时的周期期间被静电吸引并且冲击基板表面。由于蒸气原子被包含于在基板附近经过的流线中并具有沿该流线运动的特征速度(其受射流流量条件和基板几何形状控制)，脉冲偏置的脉冲之间的时间可用于控制离子沉积发生在基板上的什么地方。这使得实现了根据基板上的位置来控制厚度、结构、成分和残余应力的新颖能力。其对于由点状蒸气源的气相沉积领域将是通用的。本专利技术的实施例的一个方面提供一种用于将至少一个涂层施加到至少一个基板上的设备。该设备可以包括沉积室；至少一个蒸发剂源；用于撞击所述至少一个蒸发剂源形成蒸气羽的至少一个高能束；至少一个阳极，其被放置在蒸发剂源附近用于在所述至少一个阳极和所述至少一个蒸发剂源之间形成电弧放电；和形成至少一个射流用于蒸气羽朝向基板的横向受限的输运的至少一个载运气体。本专利技术的实施例的一个方面提供一种用于将至少一个涂层施加到至少一个基板上的方法。该方法可以包括提供所述至少一个基板；提供沉积室；提供至少一个蒸发剂源；利用至少一个高能束撞击所述至少一个蒸发剂源以产生蒸气羽；在至少一个阳极和所述至少一个蒸发剂源之间形成电弧放电；以及发射至少一个载运气体，沿至少基本上与蒸气羽对齐的方向形成至少一个射流用于蒸气羽朝向基板的横向受限的输运。本文公开的本专利技术的实施例的这些和其他目的连同各方面的优点和特征一起将由下面的描述、附图和权利要求而变得更明显。附图说明 当与附图一起阅读时，本专利技术的前述和其他目的、特征和优点以及本专利技术本身，将由下面的优选实施例的描述而被更充分地理解。图1是无污电弧定向气相沉积(SA-DVD)设备和组件的实施例的纵向截面示意图。图2是如图1所示的无污电弧定向气相沉积(SA-DVD)设备和组件的实施例的放大的局部示意图(只是具有单个蒸发剂源)。图3是提供室压(氮气压强，mbar)和沉积在基板上的涂层的动态硬度(GPa)之间的关系的图形表示，由此示出与使用无污电弧方法的(高压强)DVD实施例相关联的优点。图4是提供当其涉及正被电离的载运气体(例如，Ar)或未被电离的载运气体(例如，He)的使用时射流离子电流密度(mA/cm2)对比射流流量(slm)之间的关系的图形表示，该图形表示证实当跨音速气体射流横穿等离子体时离子拖拽现象的存在。在所示的特例研究中，利用Ar作为等离子体源的工作气体的横向空心阴极放电被He或者Ar载运气体射流穿过。图5提供在其涉及涂覆基板时脉冲偏置的影响的示意图示。图6提供在具有夹带的蒸气羽的原子和离子的载运气体射流上的流线的示意图/Jn ο图7提供用于使用适当的偏本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.05.06 US 61/331,844;2010.07.22 US 61/366,7111.一种用于将至少一个涂层施加到至少一个基板上的设备，所述设备包括 沉积室； 至少一个蒸发剂源； 用于撞击所述至少一个蒸发剂源形成蒸气羽的至少一个高能束； 至少一个阳极，其被放置在所述蒸发剂源附近用于在所述至少一个阳极和所述至少一个蒸发剂源之间形成电弧放电；以及 形成至少一个射流用于所述蒸气羽朝向基板的横向受限的输运的至少一个载运气体。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个蒸发剂源是固体。3.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个载运气体射流至少部分地辅助将所述蒸气羽定形并输运到所述至少一个基板。4.根据权利要求3所述的设备，其中用于发射所述载运气体射流的装置包括下述中的至少一个管道、导管、管子、沟槽、软管、柄、孔道、入口、凹槽、通路和通道。5.根据权利要求3所述的设备，其中借助所述载运气体射流对所述蒸气羽的所述定形和输运至少部分地通过所述蒸气羽和所述载运气体射流的构成之间的物理和/或静电相互作用来实现。6.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个载运气体射流至少基本上防护所述至少一个阳极不与所述蒸气羽接触，用于减少蒸发剂在所述至少一个阳极上的积累。7.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个载运气体射流被放置成至少基本上与所述至少一个蒸发剂源共轴。8.根据权利要求7所述的设备，其中所述至少一个载运气体射流至少部分地辅助将所述蒸气羽定形并输运到所述基板。9.根据权利要求7所述的设备，其中在所述至少一个载运气体射流被电离时，所述至少一个被电离的载运气体射流具有能够被电磁力控制的动量。10.根据权利要求9所述的设备，其中所述被控制的至少一个被电离的载运气体射流提供对所述至少一个基板的所述至少一个涂层的表面形貌和内相、结构和应力的操纵。11.根据权利要求1所述的设备，其中所述高能束将所述蒸气羽电离，形成等离子体。12.根据权利要求11所述的设备，其中所述电弧放电增加了所述等离子体的电离以提供密集等离子体区域。13.根据权利要求1所述的设备，进一步包括用于冷却所述至少一个蒸发剂源的至少一个冷却装置。14.根据权利要求13所述的设备，其中所述冷却装置包括坩埚。15.根据权利要求11所述的设备，其中所述至少一个载运气体射流的方向和/或强度可以被控制用于所述等离子体或所述蒸气羽或者两者的定形和/或定向。16.根据权利要求15所述的设备，其中通过控制所述至少一个载运气体射流的压强或控制所述至少一个载运气体射流的气体流速来完成所述定形和/或定向。17.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个载运气体射流以环形配置被放置在所述至少一个蒸发剂源周围，其中所述蒸发剂源至少基本上共轴地被整合在所述环形配置内部。18.根据权利要求17所述的设备，其中所述环形配置提供排列。19.根据权利要求17所述的设备，其中所述至少一个载运气体射流的方向和/或强度可以被控制用于所述等离子体或所述蒸气羽或者两者的定形和/或定向。20.根据权利要求19所述的设备，其中通过一个一个单独地控制每个载运气体射流中的压强或一个一个单独地控制每个载运气体射流中的气体流速来完成所述定形和定向。21.根据权利要求20所述的设备，其中所述载运气体射流的相对压强和/或气体流速可以被一个一个单独地控制用于从一边到另一边定向扫描所述等离子体或所述蒸气羽中的任一个、或者两者。22.根据权利要求1所述的设备，其中所述高能束由电子束枪或激光源产生。23.根据权利要求1所述的设备，其中所述高能束源进一步包括用于改变所述至少一个蒸发剂源中的束撞击点的装置。24.根据权利要求1所述的设备，进一步包括被施加到所述基板用于朝向所述基板加速离子的偏置电压。25.根据权利要求24所述的设备，其中 所述高能束将所述蒸气羽电离，形成等离子体；以及 所述偏置电压朝向所述至少一个基板静电加速所述等离子体中的离子，由此提供额外的动量，并且该动量有助于将所述蒸气羽输运到所述至少一个基板。26.根据权利要求24所述的设备，其中所述偏置电压是DC、AC或脉冲电压。27.根据权利要求26所述的设备，其中所述脉冲偏置电压被控制以改变在所述至少一个基板上的沉积位置以控制所述至少一个基板上的厚度、结构、成分、残余应力和/或其他涂层特性。28.根据权利要求1所述的设备，其中所述载运气体射流引入反应气体。29.根据权利要求28所述的设备，其中所述反应气体在输运期间与所述蒸气羽在所述载运气体射流中同时以气相形式形成化合物。30.根据权利要求28所述的设备，其中所述反应气体通过在所述至少一个基板的沉积表面上的化学反应形成化合物。31.根据权利要求1所述的设备，其中所述至少一个载运气体射流帮助将所述蒸气羽定形，并且其动量辅助朝向所述至少一个基板输运所述蒸气羽。32.根据权利要求1所述的设备，其中所述阳极是环形的。33.根据权利要求32所述的设备，其中所述阳极被放置成至少基本上与所述至少一个载运气体射流共轴。34.根据权利要求32所述的设备，其中所述阳极被分段以形成两个或更多个阳极段。35.根据权利要求32所述的设备，其中所述阳极进一步包括这样的装置，该装置用于建立磁场并且用于引导磁通量使得在所述阳极前面的磁场线基本上平行于其表面并且被径向定向，由此沿基本上平行于所述阳极的表面的圆周方向形成闭合电子漂移径迹。36.根据权利要求35所述的设备，其中所述磁场促进用于朝向所述基板加速正离子的轴向电势梯度。37.根据权利要求1所述的设备，进一步包括被共轴地和/或至少部分地放置成接近所述蒸发剂源的螺线管。38.根据权利要求37所述的设备，其中所述螺线管能够至少部分地使所述高能束弯曲。39.根据权利要求37所述的设备，其中所述螺线管被这样放置和加电以致磁性地增强所述阳极的效率。40.根据权利要求37所述的设备，其中所述螺线管至少部分地增大等离子体密度并且促进用于朝向所述基板加速正离子的轴向电势梯度。41.根据权利要求1所述的设备，其中所述阳极被放置在所述蒸发剂源之上升高的位置中。42.根据权利要求1所述的设备，其中所述阳极被放置在所述基板之上。43.一种用于将至少一个涂层施加到至少一个基板上的方法，所述方法包括 提供所述至少一个基板； 提供沉积室； 提供至少一个蒸发剂源； 利用至少一个高能束撞击所述至少一个蒸发剂源以产生蒸气羽； 在至少一个阳极和所述至少一个蒸发剂源之间形成电弧放电；以及 发射至少一个载运气体，沿至少基本上与所述蒸气羽对齐的方向形成至少一个射流用于所述蒸气羽朝向所述基板的横向受限的输运。44.根据权利要求43所述的方法，其中所述至少一个蒸发剂源是固体。45.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：HNG瓦德利，G马托施，FH勒格纳，B舍费尔，C梅茨纳，
申请(专利权)人：弗吉尼亚大学专利基金会，弗劳恩霍弗实用研究促进协会，
类型：
国别省市：