[发明专利]用于通过高压蒸发进行高速率涂覆的方法和设备

说明书

技术领域和背景技术

本发明包括用于连续地或者脉冲地高速率涂覆衬底的方法，并示例性地描述了适合于实现此方法的设备。该方法是通过能够带来较高的层厚度均匀性和材料成品率而允许极高沉积速率的真空涂覆方式。

许多涂覆材料具有较高的化学反应性，该化学反应性使涂覆材料与诸如氧和水的大气成分反应，使得它们可以仅在适当的高真空条件下沉积，从而避免至少部分氧化。这些材料一般包括周期表的第一三主族的元素，其中，铝和镁具有特别高的技术相关性，但是子族的许多过渡金属和稀土在它们处于原子形态时具有很高的对氧的化学亲和力和很高的还原电势。除了这些简单元素，还有大量的在与氧、蒸气或者包括催化剂的其他氧接触的条件下化学反应并可以变化的无机和有机化合物。

基于此高反应性，排除了诸如用于涂覆的喷雾热解、化学气相沉积(CVD)或者溶胶凝胶处理之类的许多公知的高速率涂覆方法。溅射技术(阴极溅射)至少可用于许多可用的金属；然而，它们使用高反应性处理气体等离子体，其中，即使极其微量的氧也与涂覆材料发生反应。由于此原因，溅射仅可以使用低残余气体压力(＜10^-5Pa)来执行，并且必须使用非常清洁的处理气体。此外，由于等离子体，即将被涂覆的表面的正前方存在沉积到衬底的高热，这在许多情况下是不期望的。极其高的速率区域＞100nm/s使用溅射对于金属也是不可行的。

因而在许多情况下有意义的替换方案是在高真空中的高速率蒸发。由此，涂覆材料通过施加能量而被加热，使得其被过渡到气相。根据现有技术，例如，通过与加热罐热接触、直流电流流动、辐射、感应、或者电子束或电弧而实现该加热。蒸气在高真空(＜10^-3Pa)下弹道(ballistically)地消失，这是因为由于大的自由路径而仅仅有极少与残余气体的碰撞。

通过使用真空蒸发，如果距源的距离适合，可以实现在衬底处很高的沉积速率，并且可以均匀地涂覆很大的区域。在蒸气的弹道传播下，在衬底上有效的涂覆速率R与距源的距离d的平方成反比，即，R～d^-2。在衬底上速率分布和层厚度分布因而仅仅遵循几何规则，并通常由规则来描述。对于低速率并且在平面的衬底和源表面的情况下，n＝4。在高速率下，已经在努森(Knudsen)流量的影响下，因而由于指向上半空间的速度分布并由于这些蒸气分子自身之间碰撞而发生喷流效应，其中，喷流效应附加地使蒸气分布聚集，使得能观察到n＞4。

可用的角区域由角分布和层厚度的均匀性在可容许偏差内的要求限定。由此与衬底的尺寸一起得到在源和衬底之间必须维持的最小距离。没有蒸发到可接受的角区域内的任何材料将被损耗，降低了产量，并引起不想要的污染。均匀性的要求因而与高沉积速率和材料产量的要求相矛盾。本发明通过将蒸发的涂覆材料(其开始没有指向衬底的表面)散射回到涂覆空间中而克服了此矛盾，并因而损耗率能保持较低。衬底前方的空间使得能形成高蒸气压力，使得平均自由路径明显地小于涂覆室的几何尺寸，并且强烈的散射造成蒸气中方向分布的均匀性。对于高速率涂覆，通常期望蒸气压力＞10Pa，并因而毫米数量级的平均自由路径。这能通过脉冲蒸发特定量的材料在至少短时段内实现。

专利申请公开DE 1 621 271涉及用于使用已经在真空中蒸发的金属的冷凝而对本体进行表面金属涂覆的方法。具体地，本发明涉及用于形成涂覆金属的蒸气的方法，其中，蒸气不具有被包括在涂覆金属中的颗粒。

US 4,022,928公开了用全氟聚醚化合物涂覆表面。由此，禁止将材料的蒸气流沉积到真空内的表面上。可以通过在真空中或者在大气条件下蒸发、喷射或者旋涂，来施加全氟聚醚保护层，或者可以使用流体或者触变膏例如使用打印处理来施加全氟聚醚保护层。

在J.Vac.Sci.Technol.A5(4)，1987年7/8月，第2239-2245页中的S.Schiller，G.Beister，U.Heisig和H.Forster等人的公开“High Rate Vapor Deposition and Large System for coating Processes”中，给出了关于高速率电子束蒸发和高速率溅射的报告。

EP 0 795 890A2公开了用于溅射以实现衬底的反应性涂层的设备，其中，施加到溅射电极的电功率在两个值之间变化。选择两个功率值，使得在恒定的反应性气体流量下，溅射电极的靶对于第一功率值处于金属模式，而对于第二功率值处于氧化模式。