在衬底上沉积薄膜的方法、衬底和通过该方法制造的金刚石膜技术

一种在衬底（２）上沉积薄膜的方法，包括用激光束（１２）烧蚀靶（１６），以产生沿传播方向离开靶的表面（１７）延伸的蒸发物的烟柱（１９）。激光束聚焦在靶表面（１７）之前并在烟柱（１９）中的有限距离（ｄ）处，由此为烟柱（１９）中的蒸发物赋予增加的能量。也可以高速旋转靶，以便赋予蒸发物预定的速度分量，该速度分量使以较低速移动的蒸发物偏离传播方向，并防止被沉积到衬底上。在金刚石膜的形成中该方法很有用，并且已经应用在微芯片制造、可视显示单元、太阳能转换、光学、光电技术、保护表面、医学应用以及切割和钻孔应用等领域。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通过靶的激光烧蚀在衬底上形成薄膜的方法，例如，已知的脉冲激光沉积(“PLD”)技术。本专利技术特别适于金刚石膜的形成，但并不限于此，而是可以应用于任何材料的膜的形成中，例如可用于超导膜生长工艺中、光电子和半导体电子中。
技术介绍
在高质量薄膜的生成中采用PLD的各种技术已经研究了多年。PLD包括将脉冲激光引导到放在室中的靶材料上，该室通常是真空室。激光的能量使靶表面的材料烧蚀并蒸发成为烟柱。烟柱包括原子、离子、分子和微粒或原子团的混合物。随着材料被烧蚀，烟柱扩散到室中。烟柱中的蒸发物的能量范围通常从几个eV到几百eV的数量级。通过在烟柱传播的方向中放置衬底，烧蚀的材料在衬底的各层沉积为层，从而形成薄膜。用于产生薄膜的PLD的优点已经很好地被证明，但是，该工艺具有不能形成高质量薄膜的缺点。在烟柱中存在的微粒降低了合成薄膜的质量。已经开发出了各种减少烟柱中的微粒和减少沉积在衬底上的微粒的方法。国际专利公开WO99/13127介绍了通过激光脉冲在真空室中蒸发靶的方法，聚焦到最佳的强度，以便消除烟柱中的微粒。最佳强度由激光脉冲持续时间和靶材料的特性限定。预先确定激光脉冲的重复速率，以便在衬底处产生连续的蒸发材料的气流。脉冲重复速率一般在千赫到几百兆赫的范围内；脉冲持续时间优选为皮秒或飞秒。该申请介绍了通过蒸发石墨靶形成薄膜。薄膜是sp3和sp2键合的无定形碳的混合物，并且几乎没有颗粒。关于PLD的论文由WO99/13127的专利技术人Rode等人在Journal ofApplied Physics 85，No.8(1999年4月15日)的第4222页发表。国际专利公开WO00/22184介绍了采用短脉冲激光(100皮秒或更短)的薄膜，特别是类金刚石碳膜的PLD方法。采用这种激光据称能产生含有不成团的单个原子离子的烟柱。使用高平均功率飞秒激光使沉积速率达到了25μm/hr。美国专利5,858,478介绍了薄膜的PLD方法，其中用脉冲激光烧蚀靶表面的材料。在靶和衬底之间的直线上放置屏蔽物，并用磁场使被烧蚀的材料的烟柱中的离子向着衬底转弯，而中性微粒继续通过衬底。该方法避免了大的中性微粒沉积到衬底上。美国专利5,411,722介绍了用激光烧蚀靶来形成薄膜的方法。衬底通常平行于烧蚀材料烟柱的传播方向放置。沉积室包括惰性或活泼气体的低背景压力，以利于烟柱的径向扩散(相对于烟柱的传播方向)。大的、重的微粒没有明显的径向扩散，不太可能沉积到衬底上。
技术实现思路
因此本专利技术的目的是提供一种通过选择所需的蒸发物能量来生产高质量薄膜的改进的方法。所生产的薄膜最好基本上没有微粒。在第一方面，本专利技术提供一种在衬底上沉积薄膜的方法，该方法包括激光烧蚀靶的表面，以产生从靶的表面沿传播方向扩散的蒸发物的烟柱；以及在烟柱的传播方向上放置衬底，从而烟柱中的蒸发物沉积在衬底上；其中激光束聚焦在靶表面之前的有限距离中，从而使所述聚焦产生的光束的最小横截面在烟柱中，由此将增加的能量赋予在烟柱中的蒸发物。有利地，由激光束实现激光烧蚀。在可选实施例中，激光束为第二激光束，所述激光烧蚀由第一激光束进行。本专利技术部分地基于具有宽能量范围的蒸发物并不总是适用于薄膜的沉积这样一种观察。已知为了在沉积膜中获得所需种类的键，必须在衬底上沉积只在相关能量范围内的蒸发物。例如，对于碳膜中的sp3键，蒸发物的相关能量范围为100eV到200eV的数量级。较低能量的微粒或蒸发物将主要产生sp2键并具有一些sp3键。另一方面，具有较高能量的微粒或蒸发物可能破坏在膜中已存在的键并产生sp3和sp2键的混合物。蒸发物的动能的范围依赖于靶上的激光通量、激光波长以及靶材料。为了在石墨靶和510nm波长激光的情况下获得能量范围为50eV到100eV的蒸发物，在靶表面上的最佳激光通量在5×108-109W/cm2的范围内。但是，单独调整这些参数不是产生所需能量范围的粒子所必需的。本专利技术也是由以下知识所激发的，在激光辐射与靶相互作用期间，可能在烟柱内得到蒸发物区，在该烟柱中能够有效吸收激光的能量。在该区域中蒸发物的密度称作临界密度。该临界密度n依赖取决于激光波长λ(μm)，并可以由公式n＝1.1×1021/λ2来量化。只有当激光通量接近1010W/cm2或更高时，由蒸发物吸收的能量才变得明显。在临界密度区中激光能量的输入将产生在4π的立体角中扩散的“冲击波”。为了在该点得到激光能量的最有效的输入，激光脉冲持续时间必须大于电子热传导时间(大约1ns)。当在烟柱中预定距离(用cm表示)处的蒸发物的密度达到临界密度(如这里所定义的)时，在烟柱中产生冲击波d＝1.38×106(ε/A)1/2Δt其中ε是微粒的能量，用eV度量A是微粒的原子量Δt是激光脉冲的上升时间(s)在靶表面的前面，在脉冲持续期间最好在激光通量达到最大时并且激光束最好聚焦在临界密度区中，由此发生碰撞吸收。蒸发物的烟柱优选地包括临界密度区(如这里所定义的)，并且优选地激光束聚焦在临界密度区中，从而在烟柱中产生冲击波。临界密度取决于激光的波长，并优选地在4×1021蒸发物/cm3以上。在预定时间内传播到临界密度区以外的烟柱中的蒸发物被冲击波向着衬底加速，而在预定时间内没有传播到临界密度区以外的烟柱中的蒸发物被冲击波向着靶的表面加速。形成薄膜所需要的能量根据靶材料和要形成的膜而变化。为此，本专利技术提供了在衬底上通过靶的激光烧蚀以产生沉积烟柱来形成薄膜的工艺，其中调整在烟柱中的最高密度区中的激光束通量，以获得蒸发物的有效能量吸收，以便蒸发物获得足够的能量来沉积到衬底上。放置衬底从而能量水平在预定范围以外的蒸发物不能沉积到衬底上。光束的最小横截面最好基本包括光束的整个聚焦区。光束由透镜聚焦，并且光束的焦点区定义为在透镜的光学焦点紧前和紧后面的激光束的区域。焦点区的中点偏移到靶表面的前方。距离依赖于靶材料和激光通量，但通常在1μm到10mm的范围内。最好在靶上的激光束的横截面大于激光束的最小横截面。使用较短焦距的透镜可以在焦点区得到更强的通量，从而增加在烟柱最浓密区域吸收的能量。优选地焦距小于35cm。应当理解，在烟柱中的烧蚀蒸发物具有一定的速度范围。在优选实施例中，对蒸发物施加预定的速度分量，以由预定的速度分量使烟柱中的蒸发物移动更慢，从而偏离传播方向，并防止沉积到衬底上。该速度取决于靶材料，但通常大于2000rev/min，更优选的大于5000rev/min，并可以达到40,000rev/min。优选地，速度的预定分量通过靶的移动，例如圆柱形靶的高速旋转来赋予。更优选地，速度的预定分量基本上沿靶表面的切线方向。在第二方面，本专利技术提供了一种在衬底上沉积薄膜的方法，该方法包括激光烧蚀靶，以产生蒸发物烟柱，在该烟柱中的蒸发物具有一定的速度范围，该烟柱沿传播方向从靶的表面延伸；在靶表面的前面的有限距离处聚焦激光束，从而定位光束的最小横截面，由此在烟柱中产生所述聚焦，而此赋予烟柱中蒸发物以增加的能量；在烟柱的传播方向中放置衬底；以及赋予蒸发物预定的速度分量；其中在距离靶表面预定的距离处放置衬底，由该预定的速度分量使烟柱中以较低速移动的蒸发物偏离传播方向并被防止沉积到衬底上。有利地，激光烧蚀由激光束进行。在可选实施例中，激光束为第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在衬底上沉积薄膜的方法，该方法包括： 激光烧蚀靶的表面，以产生沿传播方向离开靶的表面延伸的蒸发物的烟柱； 在烟柱的传播方向上放置衬底，从而烟柱中的蒸发物沉积在衬底上； 其中激光束聚焦在靶表面之前的有限距离处，从而使从所述聚焦产生的光束的最小横截面位于该烟柱中，由此增加在烟柱中的蒸发物的能量。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃斯特费克塔曼彦，格利戈里塔曼彦，
申请(专利权)人：诺维尔激光技术控股有限公司，
类型：发明
国别省市：AU[澳大利亚]