CN1158911A - 大面积金钢石薄膜的制造装置及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造大面积金刚石薄膜的装置及制造方法，该装置包括产生脉冲激光的脉冲激光产生系统；使激光束扫描的激光束扫描器；包含靶和衬底支持器的真空腔，其中经过激光束扫描器的激光束照射到靶上，并且衬底设置在衬底支持器上，金刚石薄膜通过将靶的羽状物淀积在衬底上形成。根据本发明的金刚石薄膜具有均匀的电学和机械性能，具有均匀的宽度和大的面积，可在很短的时间内获得。

Description

大面积金刚石薄膜的 制造装置及制造方法

本发明涉及一种制作大面积金刚石薄膜的装置及制作方法，此种金刚石薄膜常常用于场致发射显示器(FED)。本发明更具体地涉及一种获得具有均匀的电子发射特性和均匀的机械性能的大面积金刚石薄膜的装置及其制作方法，此种金刚石薄膜是通过用一束聚焦的脉冲激光束对靶扫描并因而形成一层在靶上线性移动的羽状物，再将羽状物沉积在衬底上而得到。

通常，纯金刚石表示成SP³的键结构，并具有绝缘特性。然而，纯的石墨却有SP²的键型结构，并因有游离电子而具有导电性。

在以下将要详细描述的本发明金刚石薄膜中，碳原子之间的键价结构可能是一种SP³的纯共价结合，或是SP²，SP¹等的混合结合。与天然金刚石不同，本发明的金刚石薄膜的精细结构可能是多晶或非晶，或多晶与非晶混合的复杂结构。

另外，本发明的金刚石可以是仅由纯碳原子组成，或由碳原子作为主要成份并有杂质原子，如金属或金属合金等组成。

本发明中将要描述的金刚石薄膜包括所有的硬碳、类金刚石碳、非晶金刚石和毫微晶金刚石薄膜等，彼此不用区分。另外，本发明将要描述的金刚石薄膜是从蒸气态固化的固态材料，这种优质材料因为其甚至在低电场的情况下也能显示高的电子发射性能，所以可用于制作FED的发射体。

在现有技术中，HFCVD(热丝化学气相淀积)、MPCVD(微波等离子体化学气相淀积)、PECVD(等离子体增强的化学气相淀积)、溅射和PLD(脉冲激光淀积)等方法被用于获得金刚石薄膜。然而，为利用HFCVD或MPCVD方法获得优质的金刚石薄膜，必须将衬底的温度保持在几百度至1000℃。因此，如果对于象玻璃这类熔点低于上述所需要的温度范围的材料，采用HFCVD或MPCVD等方法就很困难。另外，HFCVD或MPCVD法是在相当高温度下进行，因此如果需要以大规模制作金刚石薄膜，这种方法在加工时间和能量效率方面是不可取的。

PECVD法可在室温下用于制作非晶金刚石薄膜。然而，用这种方法制作的金刚石薄膜有一个高的残余应力，从而有一个缺点，即对于不同的衬底的材料，可能会发生有害的薄膜和衬底的分层脱离。

另外，高频溅射法也可用于在室温下制作金刚石薄膜。然而，用此方法制作金刚石薄膜时，与PECVD法相比，很难得到具有良好的电子发射特性的优质金刚石薄膜。

此外，利用淀积法制作金刚石薄膜的现有PLD技术已于1985年在名为“Deposition of Amorphous Carbon Films From Laser-Produced Plasmas”的文章中由C.L. Marquardt等在Naval Research Laboratory，Mat.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.38.PP325-335中公开。此淀积方法所利用脉冲激光制作金刚石薄膜的装置可很简单地构成。通过控制照射到靶上的激光能量密度在5×10¹⁰watt/cm²以上，可以在室温下制得有SP³键的优质薄膜。能量密度等于被脉冲激光的脉冲宽度所分的每个脉冲的能量密度值，而能量密度由照射到靶上的激光束横截面积所除的每个脉冲的能量密度值确定。

然而，PLD法与以上所述的其余的方法相比，在应用上有许多限制，因为此方法难于制造大面积的薄膜。也即是，如果一束高能量密度的激光束照射到设置于真空中的靶的表面，则诸如离子、原子、分子和电子等构成靶成份的材料的混合物形成一羽状物并扩展，遮挡了衬底。用传统的蒸发法形成的蒸气材料有一个依赖于Cos(θ)而变化的分布(θ是相对于靶法向的角度)。然而，因为由PLD法形成的羽状物有一个随Cosn(θ)(8＜n＜12)而变化的分布，所以羽状物主要形成在围绕着与激光束接触的靶法向的一个有限的区域，因而只在衬底上形成一小面积的薄膜。

因此，当利用固化羽状物在衬底上的某一位置来形成薄膜时，存在的一个问题是，即当衬底上羽状物将被固化的位置远离羽状物产生的位置时，薄膜的厚度急剧减小。还存在的另一个问题是，当利用由各种成份组成的合金制造的靶时，薄膜依据靶的位置没有一个恒定的成份构成比例。

在1991年授予S.S.Wagel等的美国专利NO.4,987,077中公开了一种淀积金刚石薄膜的装置和制作方法。在该专利中，碳离子通过在已知PLD装置中设置的一个离子分离机构从等离子流中提取出来，而该机构包括一个能够充电和放电的加速栅极电极。然而，在美国专利NO.4,987,077中公开的方法仅形成一束激光羽状物并且激光羽状物形成的位置很固定。因此，考虑到上述激光羽状物的角度分布，要制作一种有十英寸以上大面积的金刚石薄是很困难的。

因此，如果要通过已知的PLD方法，在靶上固定的位置上仅形成一羽状物来制造一种组份厚度、成份均匀且电学和机械特性均匀的一英寸以上宽度的膜，将是极度困难的。

本发明的一个目的就是提供一种制造金刚石薄膜的方法及其制造装置。在本发明的方法和装置中不存在已知装置中淀积金刚石薄膜的问题和其已知方法中存在的问题。在根据本发明的制造金刚石薄膜的装置和方法中，在一或多束激光束射向一或多个可往复运动的激光束扫描器之后，通过向一个移动的靶中辐射一束或多束激光来形成一或多个羽状物。其中，移动靶设置在真空容器内部的一个部位。通过将形成的一或多个羽状物淀积到移动衬底上，而制得大面积金刚石薄膜，其中移动衬底设置在真空腔内的另一部位上。

为实现上述目的，根据本发明的制造金刚石薄膜的装置包括一个产生脉冲激光束的脉冲激光产生系统，还包括一个或多个使脉冲激光束扫描的激光束扫描器，一个利用穿过一个或多个激光束扫描器的激光束形成一个或多个羽状物的靶，一个羽状物淀积其上形成膜的衬底，一个包含分别支撑靶和衬底的靶支持器和衬底持着器的真空腔。

另外，根据本发明利用以上制造装置制作大面积金刚石薄膜的方法包括下列步骤：由脉冲激光产生系统形成脉冲激光束；在通过激光扫描器改变激光束路径之后，使激光束作线性往复运动并被聚焦；通过向一移动靶照射作线性往复运动并被聚焦的激光束来形成一羽状物，其中移动靶设置于真空腔的一个部位；通过在衬底上淀积羽状物而形成薄膜，其中衬底设置于真空腔的另一部位。

本发明在阅读了对非限定性的实施例的描述并参见附图后，将更加易于理解。

图1是本发明制造大面积金刚石薄膜装置的剖视图。

图2是本发明通过形成一个线性往复运动的激光束来在靶上形成一个作线性往复运动的羽状物的激光束扫描器之工作原理简图。

图3是本发明的多束激光束扫描系统的略图。该扫描系统通过形成多束同时做线性往复运动的激光束、多个光束分束器和多个光束扫描器来在靶上形成多个做线性往复运动的羽状物。

图4A是本发明衬底支撑器及支撑在其上的衬底的另一实施例顶视图。

图4B是设置在图4A中衬底支撑器上的衬底的截面图。

图1是本发明利用脉冲激光制造大面积金刚石薄膜的装置。在本发明的装置中，脉冲激光产生系统11产生一脉冲激光束16。一个激光束扫描器包括一面反射镜13，一个聚焦透镜14和一个运动控制器15，用于扫描激光束16。脉冲激光束16在经过激光束扫描器之后照射到被固定在靶支持器18上的靶19上。衬底支持器21设置在真空腔10中，用以固定将有薄膜形成于其上的衬底22。

具体说，反射镜13的布置使得从脉冲激光产生系统11产生的脉冲激光束16以相对于反射镜面的法线成45°角的入射角和反射角投射到反射镜13的表面。也就是反射镜13用于90°地改变脉冲激光束的光路。聚焦透镜14设置在运动控制器15的顶部，与反射镜13分开一恒定的距离，通过对被反射镜13反射的脉冲激光束聚焦而增加脉冲激光束的能量密度。

因此，靶19必须设置在位于聚焦透镜14聚焦深度以内的位置，以便用脉冲激光束16的最高能量密度对设置在其空腔10内部一位置处的靶19辐射。聚焦透镜14可包括多个而不是一个透镜，以便于控制透镜的聚焦长度和像差。聚焦透镜14的基本功能在于增加入射脉冲激光束16的能量密度。

运动控制器15包括反射镜13和聚焦透镜14，它可以作线性往复运动，其运动速度和运动距离由计算机系统精确地控制。

运动控制器15在如图1所示(a)方向作线性的来回运动，使得聚焦的脉冲激光束16在靶19上沿图1(d)方向作线性往复运动。

接着，经过激光束扫描器的脉冲激光束16到达真空腔10。真空腔10包括一个光学窗17，一个靶支持器18，靶19，衬底支持器21和衬底22。设置在真空腔10一侧壁的光学窗17用于使脉冲激光束16进入真空腔10。光学窗17由BK7石英玻璃等制成，具有较高的透射率。另外，支撑靶19的靶支持器18设置在真空腔10内部的一位置。支撑衬底22的衬底支持器21设置在距靶19一所需距离的位置处。靶支持器18可支撑一圆柱状和棒状靶19。靶19可绕圆柱体和棒状靶19的纵向轴运动，即绕图1中(b)方向转动。靶19的转动防止了脉冲激光束入射在一固定靶上并从而避免了固定靶局部地被侵蚀。在这种情况下，通过激光束扫描器辐射到真空腔10内部的脉冲激光束16在旋转靶19的表面作线性往复移动。脉冲激光束16以高能量密度辐射到靶19的表面，从而与构成靶19的物质作用。通过上述作用所产生的物质是一由靶材料的离子、分子、原子和电子等组成的带有高动能的靶的激光羽状物20。脉冲激光束16在靶16上作线性往复运动并导致激光羽状物20也做往复运动。

如果将运动的衬底设置成垂直于线性往复运动羽状物20的运动方向并对着线性往复运动的羽状物20，则羽状物20可迅速地在衬底22上大面积地固化，从而形成一薄膜。即通过在衬底的顶部固化线性往复运动的羽状物20来形成具有均匀厚度和大面积的薄膜，而衬底是在垂直于羽状物的运动方向上做线性运动或线性往复运动。

关于衬底运动类型的一个优选例子是衬底在激光羽状物从衬底的一端移动到另一端期间停止并将羽状物固化在衬底上，并且在激光羽状物又开始反向移动之前衬底移动，使得通过在垂直于羽状物移动的方向上移动衬底一个所需的距离，而在衬底的新表面上固化激光羽状物。

在这种情况下，如果靶材是石墨制造，则可得到优质的大面积金刚石薄膜。利用上述制造大面积金刚石薄膜的移动型装置非常适合用于在线淀积过程。

图2展示了激光束扫描器的详细操作原理和功能。依赖于移动距离和由运动控制器设定的反射镜13及聚焦透镜14位置的移动方向和移动速度受运动控制器的精确控制。

反射镜13改变脉冲激光束16的路径并运动，以使脉冲激光束16不断地从靶19表面的一端被扫描到另一端。在移动类型反射镜13的优选实施例中，反射镜13仅以一恒定的角度改变脉冲激光束16的路径并同时以恒定的速度作线性直线移动。脉冲激光束16的路径通过控制脉冲激光束16的入射角度为45°而改变90°。根据本发明，在利用移动透镜13中的重要问题是入射到靶19表面的脉冲激光束能量密度应通过维持靶19表面与聚焦透镜14之间的恒定距离而保持恒定。

在本发明的优选实施例中，为了维持其与靶19之间的恒定距离，运动控制器被设计成使其运动路径与靶19平行。因此，反射镜13、聚焦透镜14和靶19之间的距离总保持恒定并使得靶19上的能量密度即使在脉冲激光束16不断地从靶19的一端移动到另一端时也保持恒定。

如果反射镜13位于如图2所示的A位置，则羽状物20就形成在靶19上的A′处。如果通过线性运动，反射镜13位于B位置，则羽状物20就形成在B′处。如果由于其连续运动，反射镜13位于C位置，则羽状物20就形成在C′处。也就是，如果镜13以A→B→C→B→A的顺序作线性的往复运动，则形成在靶19上的羽状物的位置也以A′→B′→C′→B′→A′的顺序作线性往复运动，从而得到在靶19上移动的羽状物。

图3展示的是本发明的一个多激光束扫描系统，该扫描系统通过形成多个同时在靶19的一端与另一端间作线性往复运动的脉冲激光束16、多个分束器23和多个光束扫描器来形成多个在靶19上作线性往复运动的羽状物20。从脉冲激光系统11产生的激光束通过位于脉冲激光束路径中的分束器23而分成两束脉冲激光束。其中一束分出的脉冲激光束16被反射镜24反射，并通过另一个位于反射的脉冲激光束路径中的分束器23再分成两束脉冲激光束。在这种情况中，如果利用N个束分束器，则最初的脉冲激光束可被分成N+1束脉冲激光束。经过分束器23的分束脉冲激光被位于分束脉冲激光路径中的反射镜24改变路径并因此落在各个光束扫描器上。落在各个光束扫描器上的各个脉冲激光束在固定于真空腔10中靶支持器18上的靶19上形成多个羽状物，如图1所示。通过固化多个作往复运动的羽状物20，可利用在图1中(c)方向上移动衬底而得到大面积金刚石薄膜的快速淀积。图1中的(c)方向系垂直于各个羽状物20移动方向的方向。各个聚焦透镜14A、14B和14C的聚焦长度选择为分别使聚焦到靶19上的脉冲激光束有相同的能量密度，以实现本发明的目的。所述透镜14A、14B和14C分别设置在对应的激光束扫描器上。

如果在激光束扫描器中，有多个用于脉冲激光束扩束用的装置，如扩束器或准直器等设置在反射镜13A、13B、13C和聚焦透镜14A、14B、14C之间或脉冲激光产生系统11和反射镜13A、13B、13C之间的脉冲激光束路径中，则可能得到更高能量密度的激光束。也就是，当被扩束器等扩展的激光束通过聚焦镜14A、14B、14C聚焦到靶19上时，激光束的直径可更小，使辐射到靶19的激光束的能量密度增加。当然，如果激光束直径增加，每个反射镜13A、13B、13C和聚焦透镜14A、14B和14C的孔径尺寸也被增加。激光束的更高能量密度可促进优质金刚石薄膜的形成。

另外，在利用激光束扫描法制造金刚石薄膜的淀积过程中，淀积率实质上依赖于脉冲激光的重复频率，当脉冲激光以高的重复频率工作时可得到较高的淀积率。因此，为了以非常高的淀积率淀积优质金刚石薄膜，最好使用一个能够提供高输出能量和高重复频率的脉冲激光产生系统。

图4A和4B展示的是能够旋转和回转的衬底支持器21A和衬底22A，他们能够用于制造具有大面积金刚石薄膜的本发明的装置中。衬底支持器21A包括一个下盘21A′，在图4A和4B所示的C2方向上转动，还包括一个上盘21A″，在C2方向的反向转动。下盘21A′的旋转轴与上盘21A″的旋转轴分开一个恒定的距离。衬底22A设置在上盘21A″上绕上盘21A″的轴转动并同时绕下盘21A′的轴转动。在如图4A所示的本发明实施例中示出了支撑四个衬底22A的四个上盘21A″。

以下将描述利用脉冲激光制造大面积金刚石薄膜的方法。脉冲激光束从脉冲激光产生系统产生，所产生的脉冲激光束的光路通过使脉冲激光束经过激光束扫描器而改变。此后，作线性往复运动的脉冲激光束被聚焦并辐射到真空腔的内部。

作为接下来的一步，作线性往复运动并被聚焦的脉冲激光束辐射到设置在真空腔一部位中的移动靶上，结果导致形成一线性往复运动的羽状物。之后，通过将羽状物淀积到固定在移动衬底支持器上的衬底而制得大面积的金刚石薄膜，其中衬底支撑器也设置在真空腔中对着羽状物的另一部位。

另外，以下将描述通过在脉冲激光产生系统和真空腔之间设置多个分束器和激光束扫描器以快速地在作线性往复运动，旋转并转动的衬底上淀积大面积薄膜的方法。脉冲激光束从脉冲激光产生系统中产生。产生的脉冲激光束被位于产生的脉冲激光束路径中的多个激光束分束器分成多个光束。接着，被分开的脉冲激光束之路径被多个也位于被分开的脉冲激光束路径中的反射镜改变。此后，被分开的脉冲激光束分别经过对应的激光束扫描器，并被聚焦。多个被聚焦的脉冲激光束作线性往复运动。然后，被聚焦的脉冲激光束辐射到设置在真空腔内部的移动靶上并在移动靶上形成多个也作线性往复运动的羽状物。多个羽状物能够迅速地在也作线性往复运动或旋转和转动的衬底上形成大面积的均匀薄膜，而此衬底被设置在真空腔的另一部位。

利用上述方法制造的金刚石薄膜有均匀的电学和机械性能。在很短的时间内可得到上述的宽度均匀的大面积的金刚石薄膜。

利用上述方法制造的金刚石薄膜可被用于制造面积很大的FED发射体，并因有可能利用其全面积而增大靶的效率。

Claims (14)

1、一种制造大面积金刚石薄膜的装置，该装置包括：

一个产生脉冲激光束的脉冲激光产生系统；

一个使上述脉冲激光束扫描的激光束扫描器；

一个包含靶和衬底支持器的真空腔，

其中，已经过激光束扫描器的激光束辐射在靶上，其中将在其上形成金刚石薄膜的衬底被固定在衬底支持器上，而金刚石薄膜由以靶形成的一部分羽状物形成。

2、根据权利要求1所述的制造大面积金刚石薄膜的装置，其特征在于，还包括多个位于脉冲激光产生系统和真空腔之间多个激光束路径中的激光束分束器，用于形成多束激光束，还包括代替上述光束扫描器的多个激光束的扫描器，所述多个激光束扫描器能够使多个由上述激光束分束器形成的激光束通过并改变其路径，还对上述多束激光束聚焦并线性往复地移动多束激光束。

3、根据权利要求2所述的制造大面积金刚石薄膜的装置，其特征在于，还包括多个用于改变上述多束激光束光路的反射镜，上述多束的激光束被多个激光束分束器向着多个激光束扫描器分束。

4、根据权利要求1所述的制造大面积金刚石薄膜的装置，其特征在于，上述激光束扫描器包括一个用于改变从激光产生系统中产生的激光束路径的反射镜；一个对上述激光束聚焦并当激光束扫描器移动时保持激光束扫描器与靶间距的聚焦透镜；一个反射镜和聚焦透镜在其上固定并控制激光束扫描器线性往复运动的运动控制器。

5、根据权利要求2所述的制造大面积金刚石薄膜的装置，其特征在于，上述的多个激光束扫描器包括多个用于改变从激光产生系统中产生的激光束路径的反射镜；多个对上述多束激光束聚焦并当多个激光束扫描器移动时保持激光束扫描器与靶间距的聚焦透镜；多个所述多个反射镜和聚焦透镜固定于其上并控制激光束扫描器线性往复运动的运动控制器。

6、根据权利要求1所述的制造大面积金刚石薄膜的装置，其特征在于，还包括一个控制上述激光束尺寸的装置，该装置位于脉冲激光产生系统和激光束扫描器之间的脉冲激光束的路径中。

7、根据权利要求2所述的制造大面积金刚石薄膜的装置，其特征在于，还包括多个控制上述多束激光束尺寸的装置，该装置位于脉冲激光产生系统和多个激光束扫描器之间的多束脉冲激光束的路径中。

8、根据权利要求6所述的制造大面积金刚石薄膜的装置，其特征在于，上述控制脉冲激光束尺寸的装置是光束扩束器或光束准直器。

9、根据权利要求7所述的制造大面积金刚石薄膜的装置，其特征在于，上述多个控制多束激光束尺寸的装置是光束扩束器或光束准直器。

10、根据权利要求1所述的制造大面积金刚石薄膜的装置，其特征在于，所述真空腔还包括一个固定于腔内部一位置处的支撑靶的靶支持器；一个设置在腔侧壁并从其中穿过脉冲激光束的光学窗，其中衬底支持器设置在真空腔内部不同于靶支持器位置的另一部位。

11、根据权利要求1或10所述的制造大面积金刚石薄膜的装置，其特征在于，所述衬底的移动方向是线性的，并垂直于羽状物的运动方向。

12、根据权利要求1或10所述的制造大面积金刚石薄膜的装置，其特征在于，所述衬底支持器包括一个所述衬底设置其上并旋转的上盘和一个上盘设置其上的下盘，下盘使上盘相对于上述的旋转方向做反方向转动。

13、一种制造大面积金刚石薄膜的方法，包括下列步骤：

从脉冲激光束产生系统中产生脉冲激光；

在改变了上述激光束路径并通过激光束扫描器对脉冲激光聚焦后，使脉冲激光束作线性往复运动；

通过把作线性往复运动并已聚焦的激光束辐射到设置在真空腔中的一部位的运动靶上而形成一羽状物；

通过在设置于真空腔内另一部位的衬底上淀积羽状物的一部分而形成薄膜。

14、一种制造大面积金刚石薄膜的方法，包括下列步骤：

从脉冲激光产生系统中产生一脉冲激光；

利用设置在上述脉冲激光束路径中的多个激光束分束器，由上述脉冲激光束形成多束激光束；

在利用设置在多束激光束路径中的反射镜改变多束激光束的路径，并通过多个激光束扫描器对多束激光束聚焦之后，使多束的激光束作线往复运动；

通过把做线性往复运动并已聚焦的多束激光束辐射到活动靶上，而在活动靶上形成做线性往复运动的多个羽状物，其中的活动靶设置在真空腔的内部；

通过以高淀积率快速地将每个羽状物的一部分淀积在活动衬底上而形成一均匀的薄膜，其中活动衬底设置在真空腔的另一部位。

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