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无污电弧定向气相沉积(SA-DVD)及其相关方法

阅读:148发布:2022-01-18

专利汇可以提供无污电弧定向气相沉积(SA-DVD)及其相关方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且一种 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。,下面是无污电弧定向气相沉积(SA-DVD)及其相关方法专利的具体信息内容。

1.一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.根据权利要求43所述的方法,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。
46.根据权利要求45所述的方法,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。
47.根据权利要求45所述的方法,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。
48.根据权利要求45所述的方法,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。
49.根据权利要求43所述的方法,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。
50.根据权利要求49所述的方法,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。
51.根据权利要求49所述的方法,其中在所述至少一个载运气体射流被电离时,所述方法包括通过电磁力控制所述至少一个被电离的载运气体射流的动量。
52.根据权利要求51所述的方法,进一步包括使用所述被控制的至少一个被电离的载运气体射流来操纵所述至少一个基板的涂层的表面形貌和内相、结构和应力。
53.根据权利要求43所述的方法,其中所述高能束将所述蒸气羽电离,形成等离子体。
54.根据权利要求53所述的方法,进一步包括改变所述电弧放电的电流以调整或控制所述等离子体的密度。
55.根据权利要求43所述的方法,进一步包括提供用于冷却所述至少一个蒸发剂源的至少一个冷却装置。
56.根据权利要求55所述的方法,其中所述冷却源包括坩埚。
57.根据权利要求53所述的方法,控制所述至少一个载运气体射流的方向和/或强度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。
58.根据权利要求57所述的方法,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。
59.根据权利要求43所述的方法,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。
60.根据权利要求59所述的方法,其中所述环形配置提供排列。
61.根据权利要求59所述的方法,进一步包括控制所述至少一个载运气体射流的方向和/或强度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。
62.根据权利要求61所述的方法,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。
63.根据权利要求62所述的方法,进一步包括控制所述载运气体射流的所述相对压强和/或气体流速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。
64.根据权利要求43所述的方法,进一步包括改变所述至少一个蒸发剂源中的束撞击点。
65.根据权利要求64所述的方法,其中所述用于改变束撞击点的装置包括至少一个偏转线圈。
66.根据权利要求43所述的方法,进一步包括将偏置电压施加到所述基板用于朝向所述基板加速离子。
67.根据权利要求66所述的方法,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。
68.根据权利要求66所述的方法,其中所述偏置电压是DC、AC或脉冲电压。
69.根据权利要求68所述的方法,进一步包括控制所述脉冲偏置电压的频率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。
70.根据权利要求43所述的方法,其中所述载运气体射流引入反应气体。
71.根据权利要求70所述的方法,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。
72.根据权利要求70所述的方法,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。
73.根据权利要求43所述的方法,其中所述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。
74.根据权利要求43所述的方法,其中所述阳极是环形的。
75.根据权利要求74所述的方法,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。
76.根据权利要求74所述的方法,其中所述阳极被分段以形成两个或更多个阳极段。
77.根据权利要求74所述的方法,进一步包括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。
78.根据权利要求77所述的方法,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。
79.根据权利要求43所述的方法,进一步包括将螺线管共轴地和/或至少部分地放置成接近所述蒸发剂源。
80.根据权利要求43所述的方法,进一步包括提供用于使所述高能束弯曲的螺线管。
81.根据权利要求79所述的方法,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。
82.根据权利要求79所述的方法,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。
83.根据权利要求43所述的方法,其中所述阳极被放置在所述蒸发剂源之上升高的位置中。
84.根据权利要求43所述的方法,其中所述阳极被放置在所述基板之上。
85.根据权利要求27所述的设备,其中所述高能束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。
86.根据权利要求1所述的设备,其中所述高能束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。
87.根据权利要求86所述的设备,其中所述对所述高能束的控制提供了到达所述至少一个基板的蒸气羽的有限长度的建立,由此所述蒸气羽的有限长度限定缓动物。
88.根据权利要求87所述的设备,其中所述缓动物的所述到达受所述载运气体射流的强度控制。
89.根据权利要求69所述的方法,进一步包括控制所述高能束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。
90.根据权利要求43所述的方法,进一步包括控制所述高能束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。
91.根据权利要求90所述的方法,其中所述对所述高能束的控制提供了到达所述至少一个基板的蒸气羽的有限长度的建立,由此所述蒸气羽的有限长度限定缓动物。
92.根据权利要求91所述的方法,其中所述缓动物的所述到达受所述载运气体射流的强度控制。

说明书全文

无污电弧定向气相沉积(SA-DVD)及其相关方法

[0001] 相关申请本申请要求于2010年5月6日提交的题为“Spotless Arc Activated Directed Vapor Deposition Concept and Implementation Thereof”的序号为No. 61/331,844的美国临时申请以及于2010年7月22日提交的题为“Spotless Arc Activated Directed Vapor Deposition Concept and Implementation Thereof”的序号为No. 61/366,711的美国临时申请的优先权,通过引用将上述美国临时申请的公开内容整体地并入本文中。

技术领域

[0002] 本发明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,本发明处于等离子体辅助定向气相沉积的子领域。

背景技术

[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。

发明内容

[0006] 本发明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,本发明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(vapor plume)作为该工艺的一部分。
[0007] 本发明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,本发明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。
[0008] • 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 μm/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。
[0009] • 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。
[0010] 本发明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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 本发明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。
[0014] 本发明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。
[0015] 本文公开的本发明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、附图权利要求而变得更明显。

附图说明

[0016] 当与附图一起阅读时,本发明的前述和其他目的、特征和优点以及本发明本身,将由下面的优选实施例的描述而被更充分地理解。
[0017] 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。
[0018] 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)。
[0019] 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。
[0020] 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2
如,He)的使用时射流离子电流密度(mA/cm)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。
[0021] 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。
[0022] 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示。
[0023] 图7提供用于使用适当的偏置电压和载运气体/蒸气粒子混合物以共形沉积模式或者以沟槽填充沉积模式涂覆非平面表面的技术的示意图示。
[0024] 被并入当前说明书中并形成当前说明书的一部分的附图示出本发明的几个方面和实施例,并且与本文的描述一起用于解释本发明的原理。附图被提供仅用于示出本发明的挑选出来的实施例的目的并且不被解释为限制本发明。

具体实施方式

[0025] 现在转向附图,如图1-2示意性地示出的本发明的实施例的一个方面是方法和设备10,用于利用等离子体辅助定向气相沉积工艺将至少一个涂层施加到至少一个基板20(例如,样品)上。该设备可以包括沉积室30(具有上游区33和下游区35)、至少一个蒸发剂源40(例如,锭或其他类型)、用于撞击蒸发剂源40中的至少一个以形成蒸气羽90的至少一个高能定向能量(例如电子)束50、被放置在蒸发剂源40附近的至少一个阳极80,用于在阳极80和蒸发剂源40之间形成电弧放电(未示出)、以及至少一个载运气体70,其形成至少一个射流71用于限制蒸气羽90和/或等离子体105的朝向基板20的横向受限的输运,如图1中大体以短划线72描绘的。设备10中所包括的元件中的至少一些可以包括“喷嘴”15,其可以参与将至少一个涂层施加到至少一个基板20。在一种方式中,阳极80被放置在蒸发剂源40之上升高的位置中。在另一种方式中,阳极80被放置在基板20之上。基板20可以在大约0到大约+/-200 V时被偏置,或者可以根据需要或要求被升高或降低。
[0026] 在一种方式中,可以由多种定向能量装置52,例如电子束枪、激光源、或本领域中现在或以后意识到的任何其他定向能量装置,来产生高能定向能量束50。在电子束枪52的情况下,其可以被操作在低真空状态或者以降低的本底压强(即,高真空状态)被操作。例如,低真空操作状态可以是大约0.001托到100托以上,但是可以根据需要或要求是其他水平。电子束枪可以近似为70kV/10kW类型,但也不一定,因为电压和瓦特数可以根据需要或要求变化。高能束50可以包括用于改变在蒸发剂源40的至少一个中的束撞击点的装置。例如,该装置可以包括可以被共轴地和/或部分地放置成接近蒸发剂源40的螺线管55或偏转线圈。螺线管55能够使高能束50至少部分地弯曲。蒸发剂源可以是固体或流体
[0027] 在一种方式中,螺线管55可以被这样放置和加电以致通过使电子沿着螺旋路径移动(这增加了电子所移动的距离并由此增加了电子和蒸发剂或形成气体射流的原子之间的离子形成碰撞的概率)来机械地增强系统的等离子体-形成效率。在一种方式中,螺线管55可以被提供用于至少部分地提高等离子体密度,以及促进用于朝向基板20加速正离子的轴向电势梯度。
[0028] 在一种方式中,用于发射载运气体射流71的装置可以包括孔口73,例如下述中的至少一个:管道、导管、管子、沟槽、软管、柄、孔道、入口、凹槽、通路和通道。借助载运气体射流71对蒸气羽90的定形和输运至少部分地通过蒸气羽90和载运气体射流71的构成之间的物理和/或静电相互作用来实现。在一种方式中,载运气体的动量辅助蒸气羽朝向基板的输运。而且,载运气体射流71基本上防护阳极80不与蒸气羽90接触,由此减少了蒸发剂在阳极80上的积累。例如,由高原子量载运气体提供的防护减少了冷凝蒸发剂在阳极上的不希望有的积累。载运气体射流71可以被放置成至少基本上与蒸发剂源40共轴。在一种方式中,防护阳极的表面免于蒸气粒子的不希望的沉积可以由流过细钻孔(未示出)从阳极80内部出去进入下游区35的“冲洗气体”来提供或改善。所述钻孔可以被如此布置使得冲洗气体有助于将蒸气羽90定形,例如当径向向内地从阳极80流出时。
[0029] 载运气体射流71的方向和/或强度可以被控制用于等离子体105或所述蒸气羽90或者两者的定形和/或定向。可以通过控制载运气体射流71的压强和/或气体流速来完成所述定形和/或定向。在一种方式中,载运气体射流可以以环形配置被放置在蒸发剂源40周围,其中蒸发剂源40至少基本上共轴地被整合在载运气体射流71的环形配置内部。该环形配置可以是很多种的排列类型。在一种方式中,通过一个一个单独地控制所述排列的每个载运气体射流中的压强和/或气体流速来完成所述定形和定向。载运气体的实例可以包括下述的任何组合中的一个或多个:惰性气体(例如,He)、活性气体(N2, H2, 或O2)、或者形成离子的气体(Ar, Xe, 或Kr);以及任何其他类型的合适的载运气体。
[0030] 在从头到尾所讨论的各种实施例中,载运气体射流71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等离子体或所述蒸气羽中的任一个、或者两者。
[0031] 在各种实施例中,载运气体射流可以引入反应气体。在一种方式中,反应气体可以在输运期间与蒸气羽原子或分子在载运气体射流中同时以气相形式形成化合物。在另一种方式中,反应气体可以通过在基板的沉积表面上的化学反应形成化合物。可替换地,反应气体可以同时以下面两种模式形成化合物:在输运期间与蒸气羽在载运气体射流中同时以气相形式;以及通过在该至少一个基板的沉积表面上的化学反应。
[0032] 在一种方式中,高能束50微弱地电离蒸气羽90,由此形成等离子体105。而且,阳极80和蒸发剂源40之间的电弧放电有效地占主导地位地电离蒸气粒子,由此提高等离子体105的电离以提供密集等离子体区域100。载运气体射流被占主导地位地电离,同时横穿密集等离子体区域。在一种方式中,电弧放电的电流可以被改变以便调整或控制等离子体的密度。在一种方式中,蒸气粒子离子和载运气体离子之间的平衡可以通过改变载运气体的流量和/或成分而被控制。被电离的载运气体射流具有可以被静电力控制的动量。可替换地,载运气体可以被先前电离;或者是先前的电离以及在密集等离子体区域中时的电离的组合。控制被电离的载运气体射流和/或所夹带的被电离的蒸气粒子提供了对基板的至少一个涂层或者(多个)涂层的各部分的表面形貌和内相、结构和应力的操纵。
[0033] 在一种方式中,阳极80可以是环形的或环状的,并且被放置成至少基本上与至少一个载运气体射流共轴。在一种方式中,阳极被分段以形成两个或更多个阳极段,所述阳极段被彼此电隔离并且被机械地布置成使得每个阳极段对应于蒸发剂源40之一。当被一个一个单独可控制的电流源供电时,该方式提供在不同蒸发剂源40处产生的蒸气粒子的电离可以彼此独立地被控制。
[0034] 在一种方式中,设备10的实施例可以包括至少一个冷却装置42用于冷却至少一个蒸发剂源40。例如,冷却装置42可以是坩埚、水或流体冷却坩埚、或根据需要或要求的其他装置。坩埚可以在大约0到大约-10 V时被偏置,或者根据需要或要求被偏置。
[0035] 在一种方式中,设备10的实施例可以包括偏置电压57,该偏置电压被施加到基板20,用于朝向所述基板20加速离子。因此,在一种方式中,提供静电离子引出和加速区域
58,如图2所示。应当认识到,偏置电压57可以是DC、AC,或者是正的、负的或两个符号都
3
有的脉冲电压。范围可以是大约0到大约10V或者可以根据需要或要求而变化。示出了具有大约100到大约200V的范围的示例性实施例。另外,在一种方式中,热源59可以被提供用于有利地加热基板20或者离子的冲击可以用于完成该加热。加热器或加热可以是可选的。
[0036] 本发明方法和设备10的实施例的一个方面包括控制基板的脉冲偏置电压57的频率以改变基板20上的沉积位置以便控制基板20上的厚度、结构、成分、残余应力和/或其他涂层特性。而且,该设备的实施例的另一个方面包括用于撞击蒸发剂源40中的至少一个以形成蒸气羽90的定向能量束50。定向能量束50还可以被控制以例如通过使定向能量束脉动来改变蒸发时伴随的定向能量。以这种方式,可以建立以由射流流量条件确定的速度到达基板位置的蒸气的有限长度(缓动物(slug))。再进一步,实施例的一个方面可以包括协调基板偏置电压57和定向能量束50两者的控制。作为该协调的结果,这将进一步增强控制基板上的沉积区域的厚度、结构、成分、残余应力、其他涂层特性和/或位置的能力。例如,控制可以包括将脉动的阶段修改到基板偏置电压和定向能量束两者。
[0037] 在一种方式中,阳极可以被配置用于建立磁场并且用于引导磁通量使得在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阳极80的表面的圆周方向形成闭合电子漂移径迹。磁场促进了用于朝向基板20加速正离子的轴向电势梯度。
[0038] 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实施例相关联的优点。通过将无污电弧工艺的工作压强从先前所设想的扩大到DVD工艺的较高压强范围中,可以产生明显较硬的涂层。
[0039] 转向图4,图4是提供射流离子电流密度(mA/cm2)对比射流流量(slm)之间的关系的图形表示。其示出当等离子体被气体射流横穿时到达基板的离子电流可以增大,并且该效果与气体射流和等离子体粒子的原子量成比例。这说明了离子拖拽工艺,其中气体射流原子和离子之间的碰撞将离子优选地引向基板,导致用于操纵等离子体的非静电装置。
[0040] 图5提供当其涉及涂覆基板20时脉冲偏置方式的影响的示意图示。图5A示出涂覆离子24和未偏置基板20(即,其中没有施加偏置电压)之间的相互作用。厚度为ds的等离子体鞘22被形成并且该鞘22中的正电荷涂覆离子24通过鞘电势被吸引到基板20。图5B示出当施加(或增大)负偏置电压时鞘22的厚度ds增大。该厚度扩展并且相应地涂覆离子24的增大的通量从蒸气羽被吸引到基板20。一些离子还与涂覆中性物(即,中性的涂覆原子26)碰撞,并且将它们朝向基板散射,进一步增大了沉积在基板上的蒸气原子的分数。图5C示出当偏置电压被关断时,鞘22的厚度ds由于先前从鞘除去离子而开始增大。
该厚度扩展并且相应地涂覆离子24的增大的通量被吸引到基板20。一些离子此外还与涂覆中性物(即,中性的涂覆原子26)碰撞,并且将它们朝向基板散射。大部分离子被沉积到基板,留下正离子耗尽区域28。最后,等离子体鞘坍塌回到其初始(未偏置)值。
[0041] 图6提供具有夹带的蒸气羽的原子和离子的载运气体射流71上的流线75的示意图示。载运气体射流71提供正离子以补充如图5C所示的正离子耗尽区域。蒸气沉积原子或离子的补充通过在基板周围流动的流线这些粒子离子的运动而发生。将被沉积的粒子以受射流流量条件和基板几何形状控制的速度沿着流线移动。如果偏置脉冲之间的时间与流线中的粒子横穿基板的时间相比是大的,则在基板附近的粒子在脉冲之间被充分补充。示4
例性脉冲速率可以是大约10Hz,其在脉冲之间是100μs,但是可以根据需要或要求被调节。富含涂覆离子的气体射流流线可以具有大约1000m/s的粒子速度(粒子在基板上每1 μs移动大约1mm的距离);或者可以根据需要或要求而变化。在基板上的1mm长度因此在这些脉冲之间被补充。通过操纵流线中的粒子的速度和脉冲之间的周期,可以由惰性气体或冷凝原子与基板的冲击产生均匀或高度局部化的沉积和等离子体辅助效果。
[0042] 图7提供了用于例如使用恒定偏置涂覆非平面表面的技术的示意图示。参考图7A,高能重涂覆离子24与先前沉积的涂层25(例如金属涂层)碰撞,并且将涂覆原子27重新溅射到基板上的通常接收低涂覆原子通量的区域(例如,凹槽)。由于重新溅射的涂覆原子所得到的累积涂层29在图7B和7C中被示出。
[0043] 本文公开的本发明的各种实施例的装置、系统、成分、设备和方法可以利用下面的参考文献、申请、公开物和专利中公开的各个方面,并且由此通过引用将所述参考文献、申请、公开物和专利整体地并入本文:美国专利No. 5,368,897, Kurihra等人, "Method for Arc Discharge Plasma Vapor Deposition of Diamond", 1994年11月29日。
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[0049] 国际专利申请No. PCT/US2010/025259, 2010年2月24日, 题为"Coaxial Hollow Cathode Plasma Assisted Directed Vapor Deposition and Related Method Thereof";国际专利申请No. PCT/US2008/073071, 2008年8月13日提交, 题为"Thin Film Battery Synthesis by Directed Vapor Deposition"; Haydn N.G. Wadley;
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序 号为No. 11/788,958的 美 国专 利 申请,2007年 4月23日 提交, 题 为
"Multifunctional Battery and Method of Making the Same”; 美国专利申请公开号No.
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国际专利申请No. PCT/US2004/024232, 2004年7月28日提交, 题为"Method for Application of a Thermal Barrier Coating and Resultant Structure Thereof; Haydn N.G. Wadley;
美国专利申请No. 10/566,316, 2006年2月14日提交, 题为"Method for
Application of a Thermal Barrier Coating and Resultant Structure Thereof; Haydn N.G. Wadley;
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美国专利申请No. 10/535,364, 2005年5月18日提交, 题为"Bond Coat for a
Thermal Barrier Coating System and Related Method Thereof; Haydn N.G. Wadley;
国际专利申请No. PCT/US2003/036035, 2003年11月12日提交, 题为"Extremely Strain Tolerant Thermal Protection Coating and Related Method and Apparatus Thereof; Haydn N.G. Wadley;
美国专利申请No. 10/533,993, 2005年5月5日提交, 题为"Extremely Strain
Tolerant Thermal Protection Coating and Related Method and Apparatus Thereof; Haydn N.G. Wadley;
国际专利申请No. PCT/US2003/023111, 2003年7月24日提交, 题为"Method and Apparatus for Dispersion Strengthened Bond Coats for Thermal Barrier Coatings"; Haydn N.G. Wadley;
美国专利申请No. 10/522,076, 2005年1月21日提交, 题为"Method and Apparatus for Dispersion Strengthened Bond Coats for Thermal Barrier Coatings"; Haydn N.G. Wadley;
国际专利申请No. PCT/US2003/012920, 2003年4月25日提交, 题为"Apparatus and Method for Uniform Line of Sight and Non-Line of Sight Coating at High Rate"; Haydn N.G. Wadley;
美国专利申请No. 10/512,161, 2004年10月15日提交, 题为"Apparatus and
Method for Uniform Line of Sight and Non-Line of Sight Coating at High Rate"; Haydn N.G. Wadley;
国际专利申请No. PCT/US2002/28654, 2002年9月10日提交, 题为"Method and Apparatus for Application of Metallic Alloy Coatings"; Haydn N.G. Wadley;
美国专利申请No. 10/489,090, 2004年3月9日提交, 题为"Method and Apparatus Application of Metallic Alloy Coatings"; Haydn N.G. Wadley;
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Apparatus for Efficient Application of Substrate Coating"; Haydn N.G. Wadley;
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Apparatus for Efficient Application of Substrate Coating"; Haydn N.G. Wadley;
国际专利申请No. PCT/US2001/16693, 2001年5月23日提交, 题为"A Process and Apparatus for Plasma Activated Deposition In Vacuum"; Haydn N.G. Wadley;
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[0050] 美国专利申请No. 09/634,457, 2000年8月7日提交, 题为"Apparatus and Method for Intra-Layer Modulation of the Material Deposition and Assist Beam and the Multilayer Structure Produced There from"; Haydn N.G. Wadley; 美国专利No. 6,478,931, 2002年11月12日颁发。
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[0053] 除非明确相反地规定,对于任何特定描述或示出的动作或元件、任何特定顺序或这类动作、任何特定尺寸、速度、材料、持续时间、轮廓、尺度或频率、或者这类元件的任何特定的相互关系没有要求。而且,任何动作可以被重复,任何动作可以由多个实体来执行,和/或任何元件可以被复制。进一步地,任何动作或元件可以被排除,动作的顺序可以变化,和/或元件的相互关系可以变化。应当认识到,本发明的各方面可以根据需要或要求具有多种尺寸、轮廓、形状、成分和材料。
[0054] 总之,尽管已经关于具体实施例描述了本发明,但是许多修改、变型、更改、替换和等效物对于本领域技术人员而言将是明显的。本发明不限于依据本文描述的具体实施例的范围。实际上,根据前面的描述和附图,除了本文描述的那些之外,本发明的各种修改也将对本领域技术人员而言是明显的。因此,本发明将被认为是仅由所附的、包括所有修改和等效物的权利要求的精神和范围限制。
[0055] 由阅读上面所述的详细描述和特定示例性实施例的附图,还有其他的实施例将对于本领域技术人员容易变得明显。应当理解,多个变型、修改和附加实施例是可能的,并且因此所有这些变型、修改和实施例将被视为在本申请的精神和范围内。例如,不管本申请的任何部分(例如,题目、领域、背景、概要、摘要、附图等等)的内容如何,除非明确相反地规定,对于本文的或要求其优先权的任何申请的任何权利要求中的包含物、任何特定描述或示出的动作或元件、这类动作的任何特定顺序、或这类元件的任何特定相互关系没有要求。而且,任何动作可以被重复,任何动作可以由多个实体来执行,和/或任何元件可以被复制。进一步地,任何动作或元件可以被排除,动作的顺序可以变化,和/或元件的相互关系可以变化。除非明确相反地规定,对于任何特定描述或示出的动作或元件、任何特定顺序或这类动作、任何特定尺寸、速度、材料、尺度或频率、或者这类元件的任何特定的相互关系没有要求。因此,描述和附图被视为本质上是说明性的,并且不被视为限制性的。而且,当任何数目或范围在本文被描述时,除非明确另外说明,该数目或范围是近似的。当任何范围在本文被描述时,除非明确另外说明,该范围包括其中的所有值和其中的所有子范围。已经通过引用被并入本文的任何材料(例如,美国/外国专利、美国/外国专利申请、图书、文章等等)中的任何信息仅通过引用被并入到这样的程度,即在这类信息和本文所阐述的其他陈述和附图之间不存在冲突。如果发生这种冲突,包括将致使本文的任何权利要求无效的冲突或寻求其优先权,那么在这类通过引用被并入的材料中的任何这类冲突信息特别地不被通过引用并入本文。
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