[发明专利]一种运动磁场辅助增强化学气相沉积方法及装置

说明书

技术领域

本发明公开了一种制备薄膜材料的化学气相沉积方法，特别是指一种运动磁场辅助增强化学气相沉积方法。属于材料合成技术领域。

背景技术

化学气相沉积法是传统的制备薄膜的技术，其原理是利用气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应，使得气态前驱体中的某些成分分解，形成活性基团，这些基团与基体表面碰撞后发生吸附、扩散迁移、化学反应，最终形成薄膜。化学气相沉积技术包括常压化学气相沉积、低压化学气相沉积、等离子体辅助化学沉积、激光辅助化学沉积、金属有机化合物沉积等。化学气相沉积是现代工业中应用最为广泛的用来沉积多种薄膜材料的技术，包括大范围的绝缘薄膜材料，大多数金属薄膜材料和金属合金薄膜材料。

从理论上来说，它是很简单的：两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到基体表面上。沉积金刚石膜和氮化硅膜(Si₃N₄)就是很典型的例子，金刚石膜是由含碳气体（如甲烷、乙炔等）和氢气反应形成的，而氮化硅膜是由硅烷和氮气反应形成的。然而，实际上反应室中的反应是很复杂的，有很多必须考虑的因素，沉积参数的变化范围是很宽的，如反应室内的压力、基体的温度、气体的流动速率、气体通过基体的路程、气体的化学成份、一种气体相对于另一种气体的比率、反应的中间产物起的作用、以及是否需要其它反应室外的外部能量来源加速或诱发想得到的反应等。外部能量来源会使反应气氛产生较大的变化，将可能影响到反应气体的裂解率、离子与中性气流的比率等。然后，需考虑这种变化对沉积薄膜中的影响，如薄膜在整个基体范围内的均匀性、薄膜的化学配比(化学成份和分布状态)、晶体结构、结晶晶向和缺陷密度等。当然，沉积速率是一个重要的因素，因为它决定着反应室的产出量，高的沉积速率常常要和薄膜的高质量折中考虑。化学家和物理学家花了很多时间来考虑怎样才能以较高沉积速率获得高质量的薄膜。此外，薄膜沉积时的基体温度也是科学家关注的焦点，过高的基体温度将大大限制基体材料的选择范围，目前科学家致力于开发各种低温化学气相沉积技术。

就以金刚石为例来讲，金刚石被视为21世纪最具发展潜力的材料之一，它具有最高的硬度、弹性模量，极高的击穿场强、热导率、载流子迁移率，极低的线膨胀系数、摩擦系数，很宽的禁带、光学透过率，非常好的化学稳定性和生物相容性，纯净的金刚石为良好的绝缘体，掺杂后可成为良好的半导体甚至可能成为超导体等优异的物理化学性能。各国科技工作者都在积极探索和挖掘金刚石的潜在应用价值，并且已在机械加工、医学诊断、生物传感器、水处理、热沉、放射线探测、高功率电子器件、声学器件、磁力测定和新型激光器等领域取得了很大的进展。这些进展都是建立在化学气相沉积金刚石技术之上的。

1962年，Eversole首次在低气压下化学气相沉积成功制备金刚石。1982年，Matsumoto利用热丝（~2000°C）激活氢气和碳氢化合物异质外延生长出金刚石，使化学气相沉积金刚石技术产生了质的飞跃。在化学气相沉积技术经历了近40年发展后，现今采用化学气相沉积技术制备的金刚石薄膜在硬度、热导率、电阻率和透光性等性能方面都已经达到或接近天然金刚石。然而，直到今天化学气相沉积金刚石仍然没有实现大规模工业化应用，其主要原因在于现有化学气相沉积技术无法同时满足低沉积温度、高生长速率、高质量、低成本、大面积均匀生长的要求。为解决这一问题，科技工作者目前已开发出了十几种CVD金刚石制备技术，其中包括：热丝化学气相沉积、微波等离子体化学气相沉积、射频等离子体化学气相沉积、直流等离子体喷射化学气相沉积和电子回旋共振化学气相沉积以及它们的衍生技术。这些技术的发展使得金刚石能以薄膜形态在机械、微电子、电化学、热学以及光学等领域获得了一些应用，但是它们还是存在各种各样的缺陷。比如，热丝化学气相沉积法具有设备简单、生产成本低、成膜质量好、可实现大面积沉积，适合工业化生产等优点，但也具有生长速度低、沉积时基体温度过高等缺点；直流等离子喷射CVD虽然具有沉积速率快、质量较高的优点，但是也存在工艺复杂、设备昂贵，难实现大面积均匀生长等缺点；微波等离子体CVD最大特点是等离子密度大、成膜质量高、稳定性好，但是设备非常昂贵、生长速率较低。目前这些设备都无法同时满足低沉积温度、高生长速率、高质量、低成本、大面积均匀生长等要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之不足而提供一种提高气体的反应速率，降低材料的沉积温度，提高材料的生长速率与品质，提高混合气体利用率的运动磁场辅助增强化学气相沉积方法。