[发明专利]用于大气压力下的甚高频等离子体辅助CVD的设备和方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及大气压力甚高频(very high-frequency)(包括微波)等离子体增强CVD沉积方法，还涉及实施其的设备以及所述方法的应用。 

背景技术

在玻璃、金属或聚合物衬底上的薄膜功能涂层存在多种潜在应用。有利地，通过通常也被称为等离子体CVD的PECVD(等离子体增强化学气相沉积)技术来制造这些薄膜。该技术的基本原理为在通过放电产生的等离子体中激发化学蒸气，所述蒸气接触衬底。等离子体的作用为产生高反应性不稳定的气相前体以提供逐渐构成材料的薄表面膜的新原子，这些气相前体具有在衬底表面上冷凝并与衬底表面反应的特性。 

通过选择气态化学前体的特性和比例，可以形成能够以极大的适应性进行调整的各种组分的材料(例如，非晶硅氧碳氮化物合金SiO_xN_yC_z)。还可以通过连续地控制等离子体相的特性来形成贯穿厚度的特性梯度，一些特性梯度被证明是使用诸如溅射的PVD(物理气相沉积)的较旧方法所不能实现的，在这些较旧方法中由固体源提供膜的原材料。此外，PECVD潜在地更适合于在三维形状的物体上均匀沉积材料，这是因为与物理物种(被蒸发或溅射的原子)的输运相比，化学物种(species)的输运较不具有方向性，并且化学物种可通过改变流体力学特性和气相扩散而得到控制。 

起初，为了形成构成微电子电路、LCD平面屏幕和太阳能电池的材料的薄膜而开发出等离子体CVD技术。这些应用需要使用具有极高纯度的气体的超净反应器和至少约200℃的衬底温度。 

对于提供了下列类型的一种或多种功能性的涂层的新应用而言，对材 料、方法以及设备的要求是非常不同的，这些功能性为：抗磨损性、化学阻挡、热阻挡、抗腐蚀性、滤光、粘附底漆(adhesion primer)、UV抗性等等。 

被认为具有用于这些应用的高质量的材料首先要具有致密的结构，其中，平均上的原子晶格的良好的连接性、最小的纳米尺度的孔隙度、以及在微米尺寸没有不均匀的柱或粒子结构。另一方面，局域的电活性缺陷总体上不具有主要影响。此外，这些薄膜功能涂层的目的为具有与例如微电路晶片或显示屏相比非常低的每单位面积的附加值的产品。因此，使沉积机器的折旧和每平方米处理的操作成本最小化是绝对必要的。因此，沉积速率必须尽可能地高。功能涂层的这些新应用所用于的大多数工业产品，尤其是由薄片形式的聚合物、钢和铝合金制成的产品不能经受高于室温几十度的温度。然而，平面玻璃可以经受再加热，但对制造商而言，该处理在后面的阶段，在热制造之后，即，再加热处理，会不希望地浪费能量。将要涂敷的对象通常大于硅晶片、太阳能电池或LCD屏幕，并可能具有三维形状。还可能需要处理连续行进的薄衬底。 

为了满足这些各种专用要求，已经逐渐开发出低压PECVD解决方案，并且目前其处于实验室或工业试验规模。这些低压PECVD解决方案通常组合： 

-高密度、微波、感应或转移弧等离子体源，其能够传送高密度的受激自由电子，并可以通过非弹性碰撞产生大量的沉积前体，并由此在最小化处理时间的同时获得最高生长速率； 

-以内部物理激发物种或离子轰击的形式为衬底提供大的且可控的量的非热能量的装置；以及 

-复杂设计的大PECVD反应器，用于产生、输运均匀的高通量的化学和物理非热活性物种，并将其传递在衬底表面上的所有点处。 

该装置分配等离子体源，彻底调查化学气体注入模式，并分配泵浦。通常有利地在几个0.1Pa的量级的最小压力下操作，以获得长平均自由程并使流体力学的影响最小化。 

为了构想在大面积上均匀涂敷的可能性，需要难以实施的复杂设置。原因例如参考在由Metal Process SARL公司提出的分布式电子回旋共振的概念中的近年来已成为必要的发展。非定域气体注入设备依赖于具有大量极小直径孔的精细机械施工。分布式涡轮分子泵浦也是昂贵的(与具有等效组合能力的一个大的泵相比，若干个小泵更昂贵)。 

该类型的技术仍然被保留用于形成这样的涂层，这些涂层具有非常复杂的功能性且具有足够的附加值，即：滤光器、多重(磨损、外部老化、化学阻挡)保护涂层、创新的纳米材料等等。 

为了使用等离子体方法产生较简单的表面功能性，其目的在于以极大的量制造具有很小附加值的普通产品(这些产品可以具有大尺寸和难处理的形状)，着实需要简单、廉价且易于在大气压力下实施的PECVD沉积技术。