本發(fā)明涉及一種在襯底上沉積薄膜的裝置。

背景技術(shù)：

在襯底上制造薄膜一般需要分子流、原子流或離子流流向襯底。這些流束在襯底表面的合適位置凝結(jié)形成一固體膜，通常這些沉積的方法稱(chēng)為物理氣相沉積（pvd）。例如包括脈沖激光沉積（pld）和脈沖電沉積（ped）。來(lái)自激光或電子束的絕對(duì)高能量密度脈沖可以消融靶材（將一定量的固體靶材轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體）。該等離子體以等離子羽流的形式向外擴(kuò)展至目標(biāo)物，該等離子羽流具有目標(biāo)化合物的組合物。

脈沖電沉積（ped）需要在靶材表面提供一個(gè)電子束能量密度大于等于瓦/平方厘米的電子束源。已知的用于產(chǎn)生電子束的設(shè)備或方法（us7557511orwo2011it00301）是基于一種渠道火花放電（csd）工序，該工序在申請(qǐng)?zhí)枮?,576,593發(fā)明人為舒爾特海斯的美國(guó)專(zhuān)利中記載。該渠道火花放電裝置包括一空心陰極等離子體源，該空心陰極等離子體源與激活組觸發(fā)等離子體的產(chǎn)生，和一介電的管狀元件。介電的管狀元件將從空心陰極等離子體提取的電子流導(dǎo)向陽(yáng)極靶。在最佳條件下，這很依賴(lài)于工作室中的壓力，如專(zhuān)利us7557511所述，有可能產(chǎn)生直線(xiàn)狀的光束，該光束由管狀元件引導(dǎo)，并從管狀元件的出口射出，并由于光束引起的空間電荷中和能夠傳播超出管狀元件。

ped技術(shù)已被用來(lái)制造不同類(lèi)型的薄膜，包括金屬、半導(dǎo)體和高質(zhì)量的介質(zhì)材料涂層。盡管全世界的實(shí)驗(yàn)室都有成功的沉積實(shí)驗(yàn)，但是沒(méi)有成功的脈沖電子束沉積薄膜的工業(yè)應(yīng)用?；赾sd的電子束源在工業(yè)應(yīng)用失敗的主要原因是因?yàn)榻橘|(zhì)的管狀元件的生命周期短（一般小于射擊），從射擊到射擊的脈沖重復(fù)性低，和大面積沉積的可擴(kuò)展性問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種新的薄膜沉積裝置和方法被提出。沉積設(shè)備的操作是基于高電壓（1-60kv）大電流（0.1-10ka）電脈沖的應(yīng)用，由脈沖電源組到虛擬陰極組產(chǎn)生。虛擬陰極組裝置從氣體容器中提供的氣體中產(chǎn)生初始等離子體。該初始等離子體，被注入在靶材的前面，形成一個(gè)虛擬等離子體陰極。該虛擬陰極等離子體獲得負(fù)電位偏置，該負(fù)電位偏置由脈沖電源所提供，從而導(dǎo)致電子束的產(chǎn)生。電子束的形成發(fā)生在薄鞘之間，該薄鞘形成在作為虛擬陰極的等離子體邊界和作為陽(yáng)極的靶材之間。由于等離子體邊界和靶材之間的距離小使得空間電荷限制是高的，這使得高能量和高電流脈沖的電子束產(chǎn)生，該電子束足夠?qū)⒐腆w靶消融。

虛擬等離子體陰極在靶材前面短暫出現(xiàn)，通過(guò)電子束將靶材消融，然后消失并允許消融的靶材向襯底流去，在襯底那里凝結(jié)形成薄膜。靶材消融后以等離子體羽流的形式，從位于具有虛擬陰極等離子體部分的靶材表面向外擴(kuò)散流出。這樣，由于限制電子束源時(shí)間的因素-由靶材消融帶來(lái)的陰極污染運(yùn)是可避免的，因?yàn)殛帢O是一個(gè)虛擬的陰極，由等離子體形成，它不能像常規(guī)的固體材料陰極一樣被污染。

本發(fā)明的第一方面提供了一種薄膜沉積裝置，包括，一空心陰極、一襯底托架和一靶材托架，所述襯底托架和所述靶材托架相對(duì)設(shè)置在所述空心陰極兩側(cè)，一等離子體供應(yīng)元件，用于在所述空心陰極的端部靠近所述靶材托架時(shí)向所述空心陰極內(nèi)部提供等離子體，和一動(dòng)力單元，與所述空心陰極連接，用于給所述空心陰極提供一高壓脈沖，當(dāng)所述等離子體供應(yīng)元件向所述空心陰極提供等離子體且所述空心陰極受到高壓脈沖時(shí)，一虛擬等離子體陰極會(huì)形成，所述虛擬等離子體陰極形成一電子束，所述電子束朝向所述靶材托架上的靶材，其中被消融的靶材羽流通過(guò)空心陰極。

所述等離子體供應(yīng)元件包括一與所述空心陰極相鄰并且限定一氣體容器的空心帽形電極。

所述空心帽形電極通過(guò)絕緣環(huán)與所述空心陰極隔開(kāi)，氣流狹縫從所述氣體容器延伸到所述空心陰極內(nèi)部。

所述氣流狹縫的寬度范圍為0.1毫米至10毫米。

薄膜沉積裝置還包括與空心帽形電極連接的電觸發(fā)單元，用于在所述空心帽形電極內(nèi)部產(chǎn)生初始等離子體。

所述電觸發(fā)單元產(chǎn)生電脈沖的電壓范圍為1kv至60kv。

所述電觸發(fā)單元產(chǎn)生電脈沖的電流范圍為0.01ka至1ka。

所述電觸發(fā)單元產(chǎn)生電脈沖的持續(xù)時(shí)間小于1微秒。

薄膜沉積裝置還包括用于向氣體容器提供氣體的氣體導(dǎo)管。

所述氣體導(dǎo)管將所述空心陰極與電觸發(fā)單元導(dǎo)通連接。

所述空心陰極是圓柱形的。

所述空心陰極具有一縱軸，所述縱軸是所述靶材托架上靶材表面以及所述襯底托架上襯底表面的法線(xiàn)。

所述空心陰極的直徑范圍為0.1毫米至100毫米。

所述空心陰極的直徑范圍為2毫米至40毫米。

所述空心陰極的直徑范圍為0.1毫米至2毫米。

所述空心陰極的直徑長(zhǎng)度比的范圍為0.1至10。

所述靶材托架上靶材表面到所述空心陰極的距離與所述空心陰極的直徑的比值范圍為0.1至10，最優(yōu)為1。

所述動(dòng)力單元產(chǎn)生電脈沖的電壓范圍為-1kv至-60kv，最優(yōu)為-5kv至-20kv。

所述動(dòng)力單元產(chǎn)生電脈沖的電流范圍為0.1ka至10ka以為靶材消融提供能量。

所述動(dòng)力單元產(chǎn)生電脈沖的持續(xù)時(shí)間范圍為0.1微秒至100微秒。

薄膜沉積裝置還包括一工作室和一泵元件，所述工作室內(nèi)部包括空心陰極、襯底托架，靶材托架和等離子體供應(yīng)元件，所述泵元件用于保持所述工作室內(nèi)部的壓力。

所述工作室內(nèi)的壓力的保持范圍在0.001帕至1帕。

薄膜沉積裝置包括多個(gè)空心陰極。

薄膜沉積裝置進(jìn)一步包括一輔助氣體容器，所述輔助氣體容器與所述氣體容器之間通過(guò)多個(gè)孔連通。

薄膜沉積裝置進(jìn)一步包括設(shè)置在所述氣體容器上的輔助觸發(fā)電極。

薄膜沉積裝置進(jìn)一步包括與所述輔助觸發(fā)電極連接的輔助觸發(fā)電觸發(fā)單元。

本發(fā)明的第二方面提供了一種薄膜沉積方法，包括，提供一空心陰極、一襯底和一靶材，所述襯底和所述靶材相對(duì)設(shè)置在所述空心陰極兩側(cè)，在所述空心陰極的靠近所述靶材的端部處所述空心陰極內(nèi)部提供等離子體，同時(shí)給所述空心陰極提供一高壓脈沖，從而形成一虛擬等離子體陰極，所述虛擬等離子體陰極形成一電子束，所述電子束朝向所述靶材托架上的靶材，其中被消融的靶材羽流通過(guò)空心陰極流向襯底。

薄膜沉積方法還包括向與所述空心陰極相鄰并且限定一個(gè)氣體容器的空心帽形電極提供氣體，并向所述空心帽形電極提供一電觸發(fā)脈沖以在所述空心帽形電極內(nèi)產(chǎn)生等離子體。

所述電觸發(fā)脈沖的電壓范圍為1kv至60kv，電流范圍為0.01ka至1ka。

所述電觸發(fā)脈沖的持續(xù)時(shí)間小于1微秒。

薄膜沉積方法還包括定位靶，使得所述靶材表面到所述空心陰極的距離與所述空心陰極的直徑的比值范圍為0.1至10，最優(yōu)為1。

高壓脈沖的電壓可高達(dá)-60kv，電流范圍為0.1ka至10ka。

高壓脈沖的持續(xù)時(shí)間的范圍為0.1微秒至100微秒。

本發(fā)明的第三方面提供了一種薄膜沉積方法，根據(jù)本發(fā)明第二部分的方法并使用本發(fā)明第一部分的裝置。

附圖說(shuō)明

為了對(duì)本發(fā)明及其技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行更完整的說(shuō)明，參考如下所述的附圖和附圖說(shuō)明：

圖1，圖1為本發(fā)明的虛擬陰極裝置的剖視圖。

圖2，圖2為圖1中裝置形成初始等離子體和虛擬陰極等離子體的示意圖。

圖3，圖3為圖1中裝置等離子體羽流傳輸?shù)氖疽鈭D。

圖4，圖4為廣域沉積的替代設(shè)備。

圖5，圖5顯示了進(jìn)一步的替代設(shè)備。

本發(fā)明的最佳實(shí)施例

具體在附圖中詳細(xì)描述，強(qiáng)調(diào)這只是通過(guò)舉例的方式進(jìn)行詳細(xì)描述，目的是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明性討論，且所提出的內(nèi)容被認(rèn)為是本發(fā)明最有用和最容易理解的原則和概念。在這方面，盡量更詳細(xì)地顯示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)是為了對(duì)本發(fā)明的基本了解所必要的，附圖說(shuō)明使得這些技術(shù)如何在發(fā)明中以多種實(shí)施例方式實(shí)踐更為清楚。

在詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例之前，必須了解本發(fā)明不限于其在下列描述或圖紙說(shuō)明中的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的詳細(xì)應(yīng)用和元件的具體設(shè)置。本發(fā)明適用于其他實(shí)施例，或以各種方式被實(shí)施，或可以運(yùn)用到各種方法中。而且，這是可以被理解的，本文以描述目的所采用的用詞和術(shù)語(yǔ)不應(yīng)被視為限制。

一個(gè)虛擬陰極沉積（vcd）裝置，在等離子體激活之前，如圖1所示。該vcd裝置在圖1中由參考數(shù)字1完全表示。本發(fā)明的裝置1包括一工作室131。所述工作室131是由一個(gè)恒定的泵提供（不在圖1顯示）氣體，所述氣體為所述工作室提供一個(gè)范圍為至100毫巴的壓力。顯然，工作室131是以與外部環(huán)境真空嚴(yán)密隔離的方式建立的。裝置1進(jìn)一步包括一虛擬陰極組，由參考數(shù)字3完全表示。

裝置1進(jìn)一步包括一供給支撐組，由參考數(shù)字5完全表示。

裝置1進(jìn)一步包括一脈沖功率組，由參考數(shù)字7完全表示。

裝置1進(jìn)一步包括一個(gè)靶材組，由參考數(shù)字9完全表示。

靶材組9進(jìn)一步包括一靶材115，該靶材115設(shè)置在合適的靶材托架117上。靶材材料包括必須以薄膜的形式沉積在襯底表面125上的化學(xué)元素。

襯底125也保持在工作室131中，并且可以由例如太陽(yáng)能電池、有機(jī)晶體管、顯示器、光源等的全部或部分電子器件或電氣設(shè)備構(gòu)成，甚至由機(jī)械部件或元件構(gòu)成，沒(méi)有任何限制。

靶材托架117至少部分包含在工作室131中，且由任何已知的材料組成，該材料需要導(dǎo)電性大于s/m和熔融溫度大于300°c，最好是不銹鋼、鎢、銅、青銅或其他金屬合金。靶材托架117提供工作室131和靶材115的電連接。工作室131，靶材115和靶材托架117的電勢(shì)在裝置操作過(guò)程中必須盡可能接近零值（接地電位）。這可能需要靶材托架117為最小電感，且工作室，靶材托架和靶材需要緊密電接觸。

靶材115的形狀可以是桿狀，圓柱體，球體，平行六面體，或任何其他不受限制的形狀，只需要在虛擬陰極組3對(duì)稱(chēng)軸處提供至少1平方毫米的表面。這是靶材的消融區(qū)，在圖1中指定為116，相對(duì)于虛擬陰極組3對(duì)稱(chēng)軸具有表面法線(xiàn)方向，且在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中最好不改變它的位置或方向，或任何其他由靶材托架117以任何已知的方式提供的靶材運(yùn)動(dòng)。

虛擬陰極組3適合在靶材115附近產(chǎn)生等離子體。等離子體作為虛擬陰極以產(chǎn)生電子束來(lái)消融靶材表面，后面會(huì)更詳細(xì)地描述。由初始等離子體供給組件提供的初始等離子體形成虛擬陰極等離子體。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，虛擬陰極組3完全包含在工作室131中。虛擬陰極組3包括空心陰極101、絕緣體環(huán)103和空心帽形電極105。

空心陰極由任何已知的材料制成，該材料的導(dǎo)電性需要大于

s/m和熔融溫度大于300°c，最好是不銹鋼，鎢，銅，青銅或者其他金屬合金?？招年帢O的形狀為空心圓柱體，該空心圓柱體的直徑長(zhǎng)度比的范圍為0.1-10，壁厚大于0.05毫米?？招年帢O101的直徑范圍為0.1-100毫米，主要取決于工作室中的氣體的壓力。更具體地，對(duì)于毫巴（帕）的壓力，直徑的范圍在2-60毫米內(nèi)，如100毫巴（帕）的壓力，直徑的范圍在0.1-l0毫米，為非限制性的例子。

空心陰極圓柱的對(duì)稱(chēng)軸是靶材消融區(qū)116的法線(xiàn)，靶表面到空心陰極的距離與空心陰極直徑的比值在0.1-10范圍內(nèi)，最優(yōu)為1。

絕緣體環(huán)103與空心陰極101連接。絕緣體環(huán)103由任意絕緣材料組成，該絕緣材料的熔化溫度大于300°c，優(yōu)選氧化鋁或其它陶瓷或塑料材料。絕緣體環(huán)103以任何已知的方式連接到空心陰極上，以防止氣體泄露，且在空心陰極101上的位置固定。

空心帽形電極105與絕緣體環(huán)103連接。空心帽形電極105以任何已知的方式連接到絕緣體環(huán)103上，以防止氣體泄露，且在空心陰極101上的位置固定。空心帽形電極105由任何已知的材料組成，該材料的導(dǎo)電性需要大于s/m和熔融溫度大于300°c，最好是不銹鋼、鎢、銅、青銅或其他金屬合金。

另外，空心帽形電極105與氣體導(dǎo)管107連接。氣體導(dǎo)管107以任何已知的方式連接到空心帽形電極105上，以防止氣體泄露，且在空心帽形電極105上的位置固定。

空心帽形電極的形狀如圖1所示，連同空心陰極101和絕緣體環(huán)103一起形成氣體容器127。更詳細(xì)地說(shuō)，由氣體導(dǎo)管107提供的氣體進(jìn)入氣體容器，然后通過(guò)狹縫129流入在靶材115附近的空心陰極的內(nèi)部。狹縫129所定義的間隙應(yīng)小于或等于空心帽電極105半徑與空心陰極101半徑的差值的一半。這反過(guò)來(lái)又等于絕緣環(huán)103的徑向尺寸-即其寬度。狹縫寬度決定了它的氣體通過(guò)量，因此有了氣體容器127內(nèi)部和工作室131內(nèi)部的氣體壓力差。狹縫寬度可以控制在0.1-10毫米范圍內(nèi)，使得氣體容器內(nèi)部的壓力至少高于工作室131內(nèi)部壓力的兩倍，并通過(guò)工作室內(nèi)不間斷工作的泵實(shí)現(xiàn)。

氣體導(dǎo)管107、氣體限流器109、真空接頭113，和一個(gè)支撐元件111組合在一起形成供給支撐組5。供給支撐組5作為虛擬陰極組3的支撐和氣體供應(yīng)設(shè)備以及電源。

氣體導(dǎo)管107是內(nèi)徑為1-10毫米的管，為非限制性的例子。氣體導(dǎo)管107是由任何已知材料組成的，該材料的導(dǎo)電性需要大于s/m和熔融溫度大于300°c，最好是不銹鋼、鎢、銅、青銅或其他金屬合金。

此外，氣體導(dǎo)管107作為電導(dǎo)體，以提供電觸發(fā)單元121和空心帽形電極105之間的電連接。

更詳細(xì)的，電觸發(fā)單元以任何已知的方法產(chǎn)生一個(gè)高電壓（從1-60kv作為非限制的例子）電脈沖，電流范圍在0.01ka-1ka，并通過(guò)電纜將氣體導(dǎo)管傳輸?shù)焦ぷ魇彝狻怏w導(dǎo)管107引導(dǎo)電脈沖通過(guò)絕緣的真空接頭113到空心帽形電極105。

氣體導(dǎo)管107通過(guò)真空接頭113連接空心帽形電極105。更詳細(xì)地，如圖1所示，氣體管道107由其末端部分插入空心帽形電極105的內(nèi)部腔中，以這種方式，氣體導(dǎo)管107與氣體容器127的內(nèi)部空腔連通。

真空接管113由任何已知的絕緣材料組成，該材料的熔化溫度大于300°c，最好是鋁的氧化物或任何其他已知的陶瓷或塑料材料，如聚四氟乙烯作為一種非限制性的例子。真空接管113以任何已知的方式提供真空緊密連接到氣體導(dǎo)管107。這樣，工作室的內(nèi)部空間和氣體導(dǎo)管的內(nèi)部空間與工作室131外部的大氣不連通。

另外，真空接頭113以某種方式連接到支撐元件111以提供真空密封連接（無(wú)氣流從連接處流出從工作室）。支撐元件111是由任何已知的材料組成的，該材料需要導(dǎo)電性大于s/m和熔融溫度大于300°c，最好是不銹鋼、鎢、銅、青銅或其他金屬合金。支撐元件111作為電導(dǎo)體，以提供電脈沖功率單元119和空心陰極101之間的電連接。

更詳細(xì)的，電脈沖功率單元119以任何已知的方法生成一高電壓（從-60kv到-1kv作為非限制的例子）大電流（0.1-10ka）電脈沖并通過(guò)電纜傳輸?shù)焦ぷ魇彝獾闹卧?11。支撐元件111引導(dǎo)電脈沖通過(guò)絕緣的真空接頭113到空心陰極101。

在工作室外的氣體導(dǎo)管107上設(shè)有氣體限流器109。氣體限流器109連接供氣組件123–未在圖中示出-提供的氣體壓力高于或等于大氣壓力。作為非限制性的例子，氣體可以氧，氮，氬，氦，氙等。氣體限流器109提供氣體的壓力差。在氣體管道107內(nèi)腔的氣體壓力低于大氣壓力（-100毫巴，作為一個(gè)非限制性的例子）。

該vcd操作動(dòng)態(tài)將結(jié)合圖2顯示。每個(gè)vcd的初始脈沖由脈沖功率組激活。脈沖功率組7完全置于工作室131外部，包括電脈沖功率單元119和電觸發(fā)單元121。

脈沖功率單元119包括具有總電容為1-60nf的電容器組，作為非限制例子。同時(shí)，脈沖功率單元119包括允許電容器組的充電電壓為-1到-60kv的高壓充電器和合適的高電壓開(kāi)關(guān)，該高電壓開(kāi)關(guān)允許存儲(chǔ)在電容器中的電荷通過(guò)電纜快速傳遞（小于50微秒為非限制性的例子）到支撐元件111外端。脈沖功率組7內(nèi)部的內(nèi)容沒(méi)有顯示出來(lái)，可以是任何已知的設(shè)備具有生產(chǎn)0.1-100微秒脈沖的能力，在電壓范圍為-1kv到-60kv，重復(fù)率高達(dá)20khz的情況下。在實(shí)踐中，對(duì)于大多數(shù)材料脈沖電壓為-5kv至-20kv是合適的。

高壓開(kāi)關(guān)激活導(dǎo)致空心陰極101的負(fù)電位偏置觸發(fā)初始等離子體供應(yīng)操作。

此時(shí)，該空心帽形電極有零電位所以導(dǎo)致空心陰極和空心帽形電極之間存在電勢(shì)差。通過(guò)電觸發(fā)單元可以輔助初始等離子體的觸發(fā)。也就是說(shuō)，當(dāng)電觸發(fā)單元激活提高初始等離子體的形成，電位差是可以被額外增加的。在脈沖功率單元形成高電壓脈沖初始階段期間，電觸發(fā)單元提供空心陰極和空心帽形電極之間的1-60kv的電位差。也就是說(shuō)，當(dāng)空心帽形電極在脈沖上升時(shí)間有了零電位，空心陰極101具有上升的負(fù)電位。然后，電觸發(fā)單元可以產(chǎn)生短暫（＜1s）的正脈沖來(lái)提供空心帽形電極的正偏置，增加與空心陰極的電位差。電位差結(jié)合了氣體容器中的氣體高壓來(lái)促成等離子體的形成。電觸發(fā)單元121有了1-10nf的出口電容導(dǎo)致電流脈沖流經(jīng)初始等離子體201來(lái)補(bǔ)償電位差。

在某些壓力范圍內(nèi)不需要觸發(fā)脈沖，并且主脈沖電壓足以點(diǎn)燃初始等離子體。

更詳細(xì)地說(shuō)，脈沖功率單元119提供一個(gè)電流從空心陰極通過(guò)初始等離子體201流到空心帽形電極。電流流向電觸發(fā)單元121以給入口電容充電。當(dāng)入口電容充電時(shí)，空心帽形電極獲得負(fù)高壓電位。此電流脈沖增加了初始等離子體的密度-更大出口電容的電觸發(fā)單元，更高的電荷通過(guò)初始等離子體被轉(zhuǎn)移，因此得到更密集的初始等離子體。當(dāng)初始等離子體201的密度≥時(shí)，由于這種初始等離子體的高電導(dǎo)率，空心陰極和空心帽形電極之間的電勢(shì)差會(huì)＜100v。主脈沖提供等離子體加熱和消融靶材所需的能量。

該初始等離子體201將從氣體容器127通過(guò)氣體狹縫129流入到空心陰極腔中，并將形成空心陰極等離子體203。這種空心陰極等離子體將空心陰極的電位加上約50伏特，由于空心陰極效應(yīng)。相對(duì)于接地靶材該等離子體將具有很高的負(fù)電位，即由脈沖功率組提供的電位加50伏特（從-0.95到-59.95千伏，取決于脈沖功率單元電壓）。具有高負(fù)電位的空心陰極等離子體作為虛擬陰極向靶材發(fā)射電子束。在vcd裝置運(yùn)行的這一階段，脈沖功率組提供負(fù)電荷到空心陰極，空心陰極發(fā)射電子到空心陰極等離子體203。該空心陰極等離子體反過(guò)來(lái)發(fā)射電子束到接地的靶材115。脈沖功率單元將存儲(chǔ)在電容器組中的能量提供給電子束。

虛擬陰極等離子體的密度將增加，隨著由于靶材的消融，殘余的氣體電力以及由于箍縮效應(yīng)而通過(guò)等離子體轉(zhuǎn)移的電荷的增加。箍縮效應(yīng)是指等離子體電流與其自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，使等離子體電流通道收縮、變細(xì)的效應(yīng)。

當(dāng)脈沖功率單元電容器組放電-空的-包含消融靶材的等離子體就會(huì)像爆炸一樣開(kāi)始擴(kuò)展，由于等離子體的壓力不受磁場(chǎng)補(bǔ)償。此時(shí)，等離子體密度可以大于。

vcd操作的下一個(gè)階段將與圖3結(jié)合呈現(xiàn)。脈沖功率組7在這個(gè)階段已經(jīng)完成了高電壓脈沖產(chǎn)生，且空心陰極101和空心帽形電極相對(duì)于工作室131的接地電位有絕對(duì)值小于1千伏的電勢(shì)。

等離子體包括靶材材料的化學(xué)元素將朝向襯底125以速度厘米/秒沿虛擬陰極組3的對(duì)稱(chēng)軸和靶材消融區(qū)116的法線(xiàn)傳播。傳播速度將取決于靶材材料，電脈沖的功率，和在工作室內(nèi)的壓力。該等離子在對(duì)稱(chēng)軸的正交方向擴(kuò)展-徑向膨脹-由于溫度膨脹效應(yīng)或雙極等離子體擴(kuò)散效應(yīng)。

結(jié)合傳播和徑向速度將導(dǎo)致等離子體中的離子軌跡如圖3中的箭頭所示。這些離子軌跡導(dǎo)致羽毛狀的等離子體相對(duì)于虛擬陰極組對(duì)稱(chēng)軸是對(duì)稱(chēng)的。當(dāng)?shù)入x子體羽流305到達(dá)襯底125時(shí)，它會(huì)在襯底表面凝結(jié)成薄膜303。沉積的薄膜303相對(duì)于虛擬陰極組的對(duì)稱(chēng)軸厚度分布均勻。沉積的薄膜將在中心處較厚，在沉積點(diǎn)的邊緣處較薄。

沉積薄膜組合物包括靶材料元素。此外，沉積薄膜組合物可以包括由氣體供給組件123提供的氣體的化學(xué)元素。

沉積薄膜晶體結(jié)構(gòu)可以隨電離狀態(tài)，動(dòng)能，和等離子體羽流305的流通密度種類(lèi)變化，而等離子體羽流305的流通密度可以隨電脈沖電壓，持續(xù)時(shí)間，電流和工作室中的氣體壓力變化。

廣域積沉積裝置基于兩個(gè)或兩個(gè)以上的vcd設(shè)備操作現(xiàn)在將與圖4結(jié)合呈現(xiàn)。該廣域沉積裝置還包括一個(gè)以上的虛擬陰極組3。

廣域沉積裝置進(jìn)一步包括作用于每個(gè)虛擬陰極組的供給支撐和脈沖功率組組群-不在圖4中顯示。虛擬陰極組可沿y方向設(shè)置且與對(duì)稱(chēng)軸相互平行，作為非限制性的例子。

廣域沉積裝置還包括靶材415。靶材415可以具有圓柱形形狀，其直徑大于空心陰極101的直徑，且長(zhǎng)度大于兩個(gè)橫向虛擬陰極組對(duì)稱(chēng)軸之間的距離。此外，靶材415可以具有任何其它已知的形狀，為所有與相應(yīng)陰極組具有相同的配置的虛擬陰極組3提供靶材消融區(qū)域116。此外，靶材可以由獨(dú)立的靶材組組成，該靶材組類(lèi)似于前面如圖1所示的靶材組9。

在靶材409為圓柱形狀的例子中，靶材支撐系統(tǒng)-未顯示-任何已知的類(lèi)型可以結(jié)合如圖4所示的y方向的位移圍繞對(duì)稱(chēng)軸旋轉(zhuǎn)，以在操作過(guò)程中由所有虛擬陰極組提供統(tǒng)一完善的靶材409。

廣域沉積裝置進(jìn)一步包括襯底125。襯底在其長(zhǎng)度方向上可以呈帶狀或片狀形式，作為非限制的例子。該襯底可以由一個(gè)移動(dòng)系統(tǒng)提供-沒(méi)有顯示。該移動(dòng)系統(tǒng)可以在y方向上移動(dòng)襯底125。

在y方向的一行中的虛擬等離子體組，在y方向上具有旋轉(zhuǎn)和移位圓柱靶材，以及平行于y-z平面的襯底的相互定位限定了沉積薄膜的均勻性。更詳細(xì)地說(shuō)，由每個(gè)虛擬陰極組提供的等離子體羽流在到達(dá)襯底之前可以相混融合成一個(gè)均勻的等離子體。該等離子體沉積薄膜在襯底的y方向上具有均勻的厚度分布如果襯底和靶材之間的距離大于或等于虛擬陰極組對(duì)稱(chēng)軸之間的距離。等離子體羽流的徑向膨脹速度約等于或小于在x方向上的傳播速度。等離子體羽流的軌跡在圖4所示。

襯底在z方向上的勻速運(yùn)動(dòng)在襯底的z方向上提供了均勻薄膜剖面，結(jié)合脈沖功率組提供的作用在每個(gè)虛擬陰極組上的恒定重復(fù)率脈沖。

虛擬陰極設(shè)備如圖5所示的另一實(shí)施例。在一些應(yīng)用中，特別是類(lèi)金剛石碳（“金剛石”）薄膜在襯底上的沉積，一個(gè)更高的電子束能量密度被需要以消融靶材表面。在dlc沉積的例子中，這是一個(gè)石墨靶材。

現(xiàn)在參考圖5，另一實(shí)施例在1’中顯示。類(lèi)似于圖1的裝置，該裝置1’包括空心陰極101和空心帽形電極105。氣體導(dǎo)管107向工作室127供氣。該裝置1’進(jìn)一步包括定義輔助氣體工作室506的絕緣體103’。輔助氣體工作室通過(guò)限流器504連接到另外的氣體供應(yīng)設(shè)備503，允許對(duì)于輔助氣體工作室506的氣體供應(yīng)率可以被控制。輔助氣體工作室506通過(guò)多個(gè)通孔507連接到氣體工作室127，優(yōu)選地至少為三個(gè)，以使工作室127中氣體的密度均勻。附加電極501位于工作室127內(nèi)，在這個(gè)例子中包括了普遍的圓柱形不銹鋼網(wǎng)格。在這個(gè)例子中，在上升時(shí)間低于5微秒的條件下3-30kv的觸發(fā)脈沖電壓和大于0.1j的總能量被輔助觸發(fā)脈沖功率源502產(chǎn)生。這些變化使電子束在石墨靶材表面聚焦成一個(gè)直徑小于1毫米的光斑。氣體的壓力，最好是氬氣，在工作室應(yīng)該是小于毫巴（1帕）。脈沖功率單元119產(chǎn)生10-20kv的脈沖，其脈沖總能量超過(guò)2j以消融石墨靶材和在襯底上提供dlc薄膜沉積。襯底可以是任何熔化溫度超過(guò)40°c的固態(tài)材料或器件，包括塑料、金屬、陶瓷、電子和光學(xué)器件，或3d打印件作為非限制性實(shí)例。

在一個(gè)示例方法中，該裝置1’具有石墨靶材117’（99%純度）和襯底125，它可以是玻璃、不銹鋼、高爾夫球、3d打印部件或任何其他合適的材料。工作室127內(nèi)部壓力被抽到低于毫巴（帕）。然后，從源123和源503引入的氬氣使得工作室中的壓力增大到至毫巴（-10帕），基于源503的氣體供應(yīng)設(shè)備提供80%-100%的氣體流量。脈沖功率源119在20hz至20khz的重復(fù)率下產(chǎn)生10-30千伏的電壓脈沖。當(dāng)脈沖達(dá)到其最大電壓時(shí)，觸發(fā)脈沖發(fā)生器121，502提供觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖的電壓范圍為+5至+15kv，持續(xù)時(shí)間的范圍為100納秒-1微秒，最好100納秒。第一個(gè)觸發(fā)脈沖由觸發(fā)脈沖發(fā)生器502產(chǎn)生，第二個(gè)觸發(fā)脈沖由觸發(fā)脈沖發(fā)生器121產(chǎn)生，第一脈沖和第二脈沖之間的延時(shí)范圍為100-500納秒。電脈沖導(dǎo)致虛擬等離子體陰極的形成，如圖1中的例子所示，這反過(guò)來(lái)又產(chǎn)生一個(gè)電子束來(lái)消融靶材。等離子體羽流然后凝結(jié)在襯底上，襯底與靶材之間的距離為10-50厘米。dlc薄膜在襯底上以10至1000納米/分鐘的速率形成，取決于脈沖重復(fù)率（線(xiàn)性關(guān)系）和距離（平方反比關(guān)系）。襯底溫度不超過(guò)40攝氏度，在脈沖重復(fù)率為200hz，與靶材距離為15厘米的情況下。dlc薄膜得到了一個(gè)緊湊的，表面光滑（~100nmrms）的部分無(wú)定形的部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)為厚度為200毫米的薄膜。靶材117可以在操作期間利用把靶材表面的較大部分旋轉(zhuǎn)。這使得靶材材料更加均勻地消耗。

dlc薄膜沉積具有這些參數(shù)，取決于靶材表面的電子束功率密度的變量sp3/sp2比率。dlc薄膜的硬度可大于20gpa，表面是納米晶體且光滑，摩擦系數(shù)低。也可以靈活、不分層具有向上彎曲到2毫米的半徑-在塑料（pet為例）襯底上。

這種類(lèi)型的dlc薄膜的應(yīng)用可能包括保護(hù)療法或硬質(zhì)層或光學(xué)生物相容涂層，醫(yī)療目的，或體育設(shè)備。低摩擦系數(shù)也可以減少表面的空氣阻力，減少飛機(jī)，汽車(chē)，或高爾夫球的空氣摩擦損失，作為非限制的例子。高爾夫球可增加10-20%的平均飛行距離，如果在球體上通過(guò)vcd方法設(shè)置dlc薄膜涂層。dlc薄膜應(yīng)用的另一應(yīng)用示例是提供化學(xué)保護(hù)層，例如用于znse，該dlc薄膜對(duì)紅外光是透明的且可抵制大多數(shù)化學(xué)活性溶劑，同時(shí)提高了znse或其他紅外光學(xué)的抗劃傷性。設(shè)置在3d打印部件上的dlc涂層將提高部件的耐磨性，并使它們生物相容。因此具有dlc涂層的塑料配件能夠用于醫(yī)學(xué)應(yīng)用如針，導(dǎo)管，手術(shù)儀器，作為非限制的例子。

使用vcd技術(shù)沉積dlc薄膜的進(jìn)一步優(yōu)點(diǎn)是超過(guò)100納米/分鐘的快速沉積速率，沉積溫度小于60°c，低成本，硬度可靈活性改變，沉積薄膜的表面光滑，在襯底或設(shè)備上具有廣泛合適的沉積范圍，且在沉積過(guò)程中不會(huì)通過(guò)熱負(fù)荷損害設(shè)備。

這里所示的裝置和方法所提供的其他應(yīng)用包括透明導(dǎo)電氧化物薄膜（“tco”）的沉積，如，，和其他任何合適的透明摻雜半導(dǎo)體。在一個(gè)例子中，一個(gè)薄膜可以用圖1裝置沉積。該裝置具有一靶材（純度99.99%），和一襯底（玻璃、pet等）設(shè)置在離靶材10-50厘米處。在工作室137中的壓力降低到毫巴（帕）。氧氣通過(guò)氣體源使工作室中的壓力增加到-毫巴（-0.8帕）。脈沖功率源在20hz-20khz的重復(fù)頻率下產(chǎn)生10至30千伏電壓的脈沖。當(dāng)脈沖達(dá)到最大電壓時(shí)，觸發(fā)脈沖由觸發(fā)脈沖發(fā)生器提供。電脈沖使得虛擬等離子體陰極形成，虛擬等離子體陰極產(chǎn)生電子束來(lái)消融靶材。等離子體羽流然后凝結(jié)在襯底上。透明導(dǎo)電氧化物薄膜以10-1000納米/分鐘的速率形成在襯底上，速率取決于脈沖重復(fù)率（線(xiàn)性關(guān)系）和距離（平方反比關(guān)系）。在一個(gè)測(cè)試中，襯底溫度不超過(guò)60°c，在脈沖重復(fù)頻率為200hz、離靶材距離為15厘米情況下（pet襯底不被羽流損壞）。得到的tco薄膜具有致密的柱狀晶體結(jié)構(gòu)，表面光滑（nmrms）形成100納米厚的薄膜。100納米厚的薄膜在1分鐘內(nèi)在200hz的脈沖重復(fù)率下沉積完成。薄膜在電磁光譜的可見(jiàn)光區(qū)域具有80%的透明度，其方塊電阻小于100，在操作過(guò)程中靶材可以旋轉(zhuǎn)使靶材材料均勻地暴露在靶材表面的大區(qū)域內(nèi)。

厚度大于100納米的薄膜在可見(jiàn)光區(qū)域的透明度大于90%，并且具有20歐姆的電阻率。達(dá)到沉積速率高于100納米/分鐘。tco沉積使用vcd裝置是有利的因?yàn)橐r底溫度低，沉積速率高，和高質(zhì)量的tco薄膜不需要退火，它是可擴(kuò)展的低成本工業(yè)。

vcd半導(dǎo)體薄膜制造的進(jìn)一步額外優(yōu)勢(shì)是具有精確控制摻雜分布和數(shù)量的基本tco材料摻雜的可能性，例如通過(guò)向靶材添加摻雜材料或引入第二vcd源，在基體靶材的沉積過(guò)程中以脈沖的方式將沉積摻雜材料從一個(gè)獨(dú)立的靶材引到相同的襯底。通過(guò)這樣的方式，在基體靶材內(nèi)的摻雜材料分布，達(dá)到摻雜類(lèi)型的能量，摻雜通量的密度，摻雜的相對(duì)量可通過(guò)獨(dú)立的第二vcd源頻率控制，脈沖的能量，電壓，電子束的聚焦，和基體靶材沉積vcd脈沖方面的延遲。這種技術(shù)將促進(jìn)新材料組合物的發(fā)展，例如，作為一個(gè)非限制性的例子，具有l(wèi)i或n的p型摻雜zno。傳統(tǒng)沉積技術(shù)的主要問(wèn)題是摻雜在堿性材料中的低溶解度，該問(wèn)題可以通過(guò)第二vcd源迫使高能量的摻雜物種浸入基體靶材的方法解決。

另一個(gè)可能的應(yīng)用是將鋰磷氧氮（lipon）形成固態(tài)電解質(zhì)用于固態(tài)電池中。具有l(wèi)ipon的固態(tài)電池具有優(yōu)越的性能，但通過(guò)射頻濺射的lipon沉積過(guò)程工藝具有非常低沉積率，幾納米/分鐘極其昂貴使得商業(yè)不可持續(xù)。使用如本文所述的vcd技術(shù)和設(shè)備的低成本沉積，結(jié)合工業(yè)的可擴(kuò)展性，使lipon薄膜制造在商業(yè)上是可持續(xù)的。使用vcd的lipon薄膜沉積的優(yōu)點(diǎn)是將復(fù)雜成分的靶材轉(zhuǎn)變成薄膜，要獲得高質(zhì)量的lipon薄膜需要具有s/cm以上的高離子電導(dǎo)率和低的電子電導(dǎo)率。

在上述描述中，一實(shí)施例是本發(fā)明的一個(gè)例子或一個(gè)實(shí)施方式。“一個(gè)實(shí)施例”、“一實(shí)施例”或“一些實(shí)施例”的各種表述并不一定都指相同的實(shí)施例。

盡管本發(fā)明的各種特征可以在單個(gè)實(shí)施例的上下文中被描述，特征也可以被單獨(dú)提供，也可以在任何合適的組合中被提供。相反，為了清楚本發(fā)明也可以在不同的實(shí)施例中描述，但本發(fā)明也可以在單個(gè)實(shí)施例中描述。

此外，可以理解，本發(fā)明可以以多種方式運(yùn)行或?qū)嵤?，并且本發(fā)明可以在上述描述中所述的其他實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。

此處所使用的技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)的含義通常被理解為本發(fā)明在本領(lǐng)域中的普遍技術(shù)，除非另有定義。