[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

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。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容