CN101233598B - 用于等离子体处理设备的等离子体增强器 - Google Patents

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Abstract

用于等离子体处理设备的等离子体增强器，包括用于使辉光放电等离子体增强和/或点火以进行处理，尤其用来对工件(8)进行涂覆的装置(1，4)，具有至少一个由导电材料制成的空心体(2，5)。该空心体如此构造，使得在该空心体上施加电信号时，至少在特定压力范围和电压范围里，满足了在空心体内部放电点火的几何条件。空心体具有至少一个开口，通过该开口，载荷子可以流出到所述装置的周围里，以便在那里能够使等离子体点火和运行，或者增强在那里所存在的等离子体。所述装置包括使空心体与工件电连接的机构，从而空心体基本处在工件电位。

Description

用于等离子体处理设备的等离子体增强器
技术领域
本发明涉及一种用于等离子体处理设备的等离子体增强器，尤其是使用在真空涂装设备，或者真空处理方法中。 
背景技术
已知有热阴极或冷阴极，其中通过在阴极，例如螺旋丝极或具有高的负电位的尖端，和阳极之间加上电压，从而在真空涂装设备的处理腔里将电子提取出来，以便在那里提高载荷子的密度。这种电子源或离子源都设有固有的供电源。阴极通常只是通过遮板与等离子体处理设备的处理腔相连，以便例如避免由于等离子体处理过程产生的反应气体或其它负面影响对阴极造成的负载。不利之处在于，一方面在涂覆腔之外产生电子，并因此必需有另外的装置将这些电子尽可能无损失地转送到处理腔里，另一方面会由于附带地需要的供电源和复杂的结构型式，而出于经济原因只设有少量的这样的电子源或离子源。也就是说大多数在等离子体处理设备上只设置一个这样的离子源。 
已知用于DLC层的沉积，也就是具有高比例sp3碳键的层，例如在WO 01/79585中所描述的那样，它在基底上使用了中频激励，以便通过所产生的辉光放电产生涂层沉积。辉光放电在这些构件和设备壁之间，借助于DC(直流的)或借助于单极的或双极的脉冲的基底偏置(Substratbias)在通常的磁控管溅射沉积的压力范围里产生。 
将所要涂覆的构件主动纳入此过程中。可实现的沉积率因此还可以很大程度上由在涂装设备里用于工件涂覆的装置的几何形状来确定，这引起了沉积率的强烈波动。因此可能产生以下情况：对于较小活性的装置来说产生弱的离子化。这导致沉积率变小并因此使生产率降低。 
在已知的等离子体处理设备中，将工件固定在基底载体上，例如一种转盘机构的形式并在涂覆源旁移动经过。为此的示例为2重旋转的装置，没有在20-80mm范围里的几何间距，因此并不产生可控的等离子体空心阴极。典型的问题是，对平板结构和扁平零件的涂覆，这些结构和 零件只产生小的等离子体流。 
通过提高反应气体流动来提高碳的提供，这通常通过真空泵系统的抽吸功率只是在有限程度下才有可能，这是因为离开最佳的过程窗口就使涂层质量变差。 
发明内容
本发明的任务是提出一种等离子体增强器，它不需要复杂的附加措施就可以被集成地装入到等离子体处理腔里，或直接装在转盘机构上，或者甚至装到工件支架里。 
此任务通过按照本发明的特征来解决，其中等离子体增强器可以通过偏置源(Biasversorgung)将电信号施加到工件上。 
由传统的等离子体过程得知：取决过程压力和所加的电压，通过特定的几何形状布置可以由于所谓的空心阴极效应而产生一种或多种副等离子体(Nebenplasma)。这种具有虽然限定在局部，但很高的等离子体密度的副等离子体，由于不同的效应，如单个基底的过热、等离子体波动、在气相时的石墨化和其它效应而对所计划的等离子体过程产生干扰，因此在所有通常的等离子体CVD方法(化学气相沉积方法)中都采取预防措施，用以避免这种副等离子体。 
令人惊奇地，通过一种按照本发明所构造的装置成功地实现应用空心阴极效应，而对过程工艺或涂层质量并没有有害影响，这通过一种具有取决于过程参数的可以由经验确定的几何形状的等离子体增强器来实现，因此可以使等离子体密度稳定地升高，并使沉积率明显提高。 
按照本发明的用于对辉光放电等离子体进行增强和/或点火的装置，包括由导电材料制成的至少一个空心体，其中空心体的空腔这样构造，使得在将电信号施加到空心体上时，至少在特定压力范围和电压范围内，满足了在空心体内部进行放电点火的几何条件。空心体还包括至少一个开口，通过该开口，载荷子可以流出到装置的周围里，以便在那里能够使等离子体点火和运行，或者增强在那里所存在的等离子体。 
此时这样选择几何形状，从而可以使过程温度保持较低，以便不影响到工件的性能。对于基本上包括至少一个空腔的等离子体增强器的几何形状来说，起决定作用的是空腔的内部尺寸或特征几何参数，其表现为包围着空腔的相同电位表面的平均间距的特征值。例如对于压力范围从1×10-3mbar至5×10-2mbar，优选为4×10-3mbar至2×10-2mbar，平均间距从20至200mm，优选为60至100mm业已证实为适合的。 
这种原理可以按如下得以应用：将至少一个按照本发明的装置作为等离子体增强器装到具有工件支架的转盘机构里，因此在整个处理腔里，可以提高等离子体密度，并且例如实现较高的沉积率。 
对此的备选方案可以使工件直接固定在按照本发明的装置上，并因此直接与空心阴极的等离子体连接。也可以有利地使用按照本发明的装置的各种不同结构型式的组合。 
以下根据已知的物理学规律来解释本发明所基于的现象。然而这只可看作为一种可能也包含误差地近似于在工业涂装设备中所存在的特性。例如涉及到所出现的复杂几何形状或活动的电极，这种特性可能与根据经验简化的假设所开发出的模型不同。 
假定按照本发明的用于增强等离子体的装置，其或者由一个或者多个等离子体增强器分支组成，或者由具有相应几何形状的基底分支组成，这种相应几何形状表现为用于辉光放电的阴极，其中阳极是涂覆腔，它优选处于接地电位。为进行辉光放电点火，将电压加在阳极和阴极之间，该电压在200V和2000V之间，优选在400V和1200V之间，其分别包括边界值。在点火之后也可以用较低的电压使放电运行。等离子体的点火遵循帕邢定律(Gesetz von Paschen)。按照此定律，点火电压Vt，或点火电位Et与气体种类有关，并在给定气体种类时是电极间距d和压力p的乘积的函数： 
Vt＝[B×p×d]/[C+ln pd]，Et＝B/[C+ln pd]； 
其中B和C为取决于气体种类的常数。 
如专业人员所已所的那样，有许多方法来改善点火过程，从而例如可以在加上直流电压时，使该电压暂时以高频率脉冲。与运行电压的种类无关，这种电压可以包括直流脉冲电压、双极脉冲电压或单极脉冲电压、通常的交流电压，或者也可以是调制的直流电压，此处通过以下措施来影响或改善按照本发明的等离子体增强器的点火。 
-快速的压力波动， 
-暂时的电压升高(单个的电压脉冲)， 
-电压源的脉冲运行， 
-垂直或者平行于阴极/阳极放电间隙施加外部磁场， 
-附加地运行等离子体，例如以溅射等离子体、火花等离子体或者低压电弧等离子体的形式， 
-选择一种可良好电离的气体，例如Ar、Ne、He。 
借助于磁场来提高等离子体密度具有特别的意义，这是因为这样提高了在整个等离子体腔里的气体电离的概率。对于所有使载荷子在等离子体里的速度并不平行于磁场的条件来说，都出现使这些载荷子强迫进入圆形轨道上的力。在相对较小的阴极降范围里，由于磁场强度相对较大，因而对载荷子的运动只有很少影响。相反磁场对于正电柱影响更强。磁场的力减小了载流子的扩散，并通过提高气体分子的冲击概率提高了等离子体密度。 
按照本发明的等离子体增强器的基本的作用是，通过空心阴极的点火提高等离子体密度。如果这样来运行放电，即阳极配有多个阴极，那么阴极相互之间的间距就有重要作用。如果阴极相互之间的间距大于双倍的阴极降，那就并不引起相互的作用影响。如果人们使阴极相互接近，或减小气体密度，那就出现快速的电子从一个阴极表面至另一个阴极的阴极降范围里，并通过同样也是负的电荷减速和反射。这种反射在阴极电位上进行，直到电子例如由于冲击而丧失了能量为止。通过这种反射又提高了电离的概率。电流密度提高并且可以取决于气体种类、压力、间距或几何形状而提高大于一百的系数。 
在阴极相互的间距很小时，电流密度然而又快速降下，这说明了：电流从两个阴极之间的间隙里不再能找到通向阳极的路径。 
阴极的相互作用影响称作为空心阴极效应。当阴极具有空腔，其直径小于双倍的下降空间，那就形成这种作用。阴极降空间的大小可以通过施加磁场而被强烈地影响。 
至今在通常的等离子体处理设备或电极设备里已经尽能地避免产生空心阴极，尤其是在紧靠着所要处理的表面附近，这是因为由于所谓副等离子体的形成，一般对于等离子体处理过程有很不利的影响。例如由于这样的放电使能量从等离子体里除去，使反应气体过快或过完全地分解或者使工件表面过热，用于只是说明一些干扰现象。 
本发明的目的是提供一种等离子体增强器，它避免空心阴极的不利作用，并在等离子体增强器之内和之外以这样的程度来提高等离子体密度，从而使它有助于改善处理过程。其中内部的等离子体密度远远更高，这对于更好地分解或激励气态的母体(Precursor)是有利的。
附图说明
根据以下附图举例说明的本发明的原理。附图示出： 
图1等离子体增强器 
图2工件支架 
图3转盘机构 
具体实施方式
图1所示的等离子体增强器1由多个相互叠置的圆环、椭圆环或多边形环2或环所组成的几何形状构成，其中环2成间距a布置，该间距足够小，以避免在环2之间引起中空放电点火。如果这个间距选得只是略微过大，那就会在平行布置的阴极2之间引起不期望的强烈的副等离子体的点火，并带来上述不利的后果。 
阴极环2之间的间距a，或者工件或托架之间的间距b，必须比双倍的阴极降要小，有利地甚至小于阴极降。在本发明实施例中，间距a选择为1至60mm，优选5至25mm。 
等离子体增强器1的总高度h可以容易地通过加入或去掉一个或多个环2来改变。环2例如可以通过单个的连接杆3固定在所希望的位置上，这些连接杆具有此处未详细示出的定距套。 
在示出的图1A、A′的情况下，几何特征参数是阴极环的内径d，它也是用于产生和稳定空心阴极的重要尺寸。在图1B中，将三角形内切圆的直径d′认定为特征参数。直径d、d′因此应该这样来选择，使得空心阴极的条件都得到满足，也就是说小于或大致等于双倍的阴极降。在本发明实施方式中，间距d选定为20至200mm，优选在60至100mm之间。于是直径d、d′与高度h共同地确定了空心阴极的几何形状，它不仅构造成横截面的不同几何形状，而且也可以通过不同的界定面相对于其余的等离子体腔界定开来。例如可以替代多个环形区段2而只设上部的和下部的环形区段，它们具有在其间绷紧的栅网或者平行的丝线或杆、圆柱体或其它在圆周上具有合适的开口或缺口的空心体，例如具有切槽或者类似结构。重要的是：至少具有空心阴极的至少一个开口，它使载荷子通至阳极的路径保持敞开。 
在图1所示的实施方式中还指出了：通过金属栅网10对上部或下部开口进行遮盖，对等离子体的稳定性产生积极的影响。 
图2示出了工件支架4，该工件支架构造成等离子体增强器，此时环5设有用于工件8的容纳座7。特征参数d″这里可以或者如所示那样看作为工件支架5至支架杆6的最小间距，或者作为在工件支架的辐条11之间的最小间距，要根据哪个间距更小。这里也重要的是：间距a以及工件8之间的间距b如此选择，使得它不会造成空心阴极放电的点火。因而至少那些在一个工件支架平面内的工件应该具有类似的或者最好相同的几何形状，或者通过附带措施对相应的间距a或b进行设定。为了在等离子体增强器4的高度上实现尽可能均匀的中空放电等离子体，有利的是，各个工件支架环5的辐条11设置在同样的位置上，因此例如在图2所示的情况下，在等离子体增强器4的内部形成三个同样的空心阴极腔12、12′、12″。 
原理上说，带有空心阴极腔12的唯一一个工件支架环5或者单个的环2都可以被用作为等离子体增强器，只要选择了适合于相应压力范围/电压范围的几何形状，当然对于专业人士来说是不言而喻的：如在图1或2中所示，相应的由环2的或由工件支架环5的多个平面所组成的等离子体增强器1或者说构造成等离子体增强器的工件支架4实现了显著增强的作用。例如在这样的等离子体增强器1、4中，可以很有效地使用于等离子体CVD过程或组合的PVD/CVD过程的反应气体或母体受到激励或分裂，并被转化成高反应性的物质，例如离子化的分子、分子碎片和/或转化成原子团。因此也大大提高沉积率，并在适合的工艺过程中使这种等离子体CVD涂覆的涂层质量得到改善。 
在图3中示出了转盘机构9，在该转盘机构上既设有多个等离子体增强器1，如在图1中所示那样，又设有多个工件支架4，如在图2所表示的那样。工件支架4可以装配成可以旋转运动的，并且例如所示那样与转盘机构9和容纳座7共同作用而引起工件8的三重旋转，以实现尽可能均匀的涂层质量。这种三重旋转示意地通过相应的运动箭头1、2和3来表示。如果等离子体增强器1的特征几何间距d′至少大约小于工件支架4的特征几何间距d″，那就是有利的，因此在施加例如中频脉冲信号时，按照帕邢方程，首先使等离子体增强器里的等离子体点火。 
这种装置尤其有利的是，如果例如涉及金属的附着层，就会产生至DLC层的渐进过渡。如果附着层首先由纯金属，例如Cr或Ti，在此如 专业人士已知的那样，也可考虑元素周期表中第IV、V或VI副族的其它金属或者Si或Al，通过溅镀法、电弧法、低电压电弧法或者其他PVD方法(物理气相沉积方法)进行涂覆，并接着添加含碳气体，例如乙炔、甲烷、乙烷、乙烯或类似物形成一种基本上包含有金属和金属碳化物的混合涂层。然而只要只有直流偏置(DC-Bias)，并不或者根本不形成含sp3的碳结构，因为在这种情况下，反应气体以太小的程度被激励，或通过等离子体被分解。然而如果将例如中频脉冲信号施加到转盘机构9上，那么空心阴极等离子体由于较小的间距d、d′而首先在等离子体增强器1里点火。这种点火通过每个附带的等离子体源，例如通过溅射靶的辉光放电和在需要时通过附带的垂直于空心阴极平面进行设置的磁场而变得更容易。这例如可以通过一种对于专业人士来说已知的两个磁线圈的赫尔姆霍茨装置在涂装设备上产生。 
在等离子体增强器1里空心阴极等离子体点火之后，通过反应气体的增加消耗引起了压力下降，这造成在工件支架4的空腔12、12′、12″里其他空心阴极等离子体的快速点火以及反应气体继续减少。在工件支架4里的等离子体的点火在此通过来自等离子体增强器1的高比例的载荷子而完全同步地进行，并且没有等离子体波动。如果提高了反应气体比例，这更有利地以例如斜坡式地增大反应气体流的形式进行，那么在材料表面上就形成高比例的高激发的碳离子或碳氢离子，这些离子可以构成含sp3的结构。根据工艺过程的不同，可以使含有金属的SP3的结构，或者例如通过靶的回调或遮挡，基本上只是由碳和氢组成的sp3结构发生沉积。在应用这样的等离子体增强器1或工件支架4时，由于如下原因而产生另一种优点：工艺过程可以这样来进行，以至于即使在沉积绝缘的情况下，例如工件上的DLC层，在等离子体增强器1或工件支架4的内侧面上的导电性也得以保持。这是由于在这个范围里温度负载升高了，或者由于离子微粒的轰击提高了，这例如在应用一种含有碳的反应气体时引起在空心体或空心阴极的内表面上的石墨化。 
以下根据示例指出与现有技术的区别，以及使用按照本发明的等离子体增强器的有利作用效果。过程参数和装置的结构几何形状的详细情况见表1。这个过程在具有6或12个分支的转盘机构上进行。 
示例1 
这里按照现有技术将工件装载到分支上，从而避免空心阴极。过程 中的基底电流小，涂覆率低。 
示例2 
这里将零件装载到分支上，其对应于按照本发明的装置。因此在施加MF偏置时使空心阴极点火并实现基底电流的提高以及与示例1相比沉积率的提高。中空放电的几何参数这样匹配于过程参数，使得既没有使这些工件过热，也没有对涂层质量有负面的影响。 
示例3 
这里使工件如在示例1中那样装载，附带地用如在图1中所述的装置来替代12个分支中的2个。备选地，在具有6个分支的转盘机构上附带地使用了3个等离子体增强器1，如在图3中所示那样。在这两种情况下都显示出对沉积率的有利影响。 
示例4 
这里将零件装载到装置上如在示例2中那样，空心阴极用较高的压力驱动，这造成了与示例1和2相比附带地提高了基底电流和沉积率。在这种条件下，也既没有使零件过热，也没有对涂层质量产生负面的影响。 
示例5 
这里选择的间距大于示例1中的间距，但小于示例2中的间距。很明显，这里d″对应于在最大电子反射范围里的平均间距，因为这里空心阴极很强烈地燃烧，零件过热并且由于石墨化而产生较差的涂层质量。 
示例6 
清楚地表示出等离子体增强器的作用与所施加的电信号频率的关系。在将频率从50提高到100KHz时，当其余参数不变时，可以实现相比于示例4来说大大提高的基底电流和涂覆率。 
虽然前面已经介绍了用于实施本发明的许多不同的方案，但对于专业人员来说，根据说明很清楚的是：还有许多其它的方案，用于实现相应的装置，用来点火或者增强等离子体。例如可以使一种相应的装置布置于真空腔上、腔底或腔盖上，而不是布置在转盘机构上，只要装置与接受器绝缘分离开，并被加上相应的电信号，例如基底偏置信号。 
Figure 2006800150163A00800011

Claims (15)

1.一种用于使辉光放电等离子体增强和/或点火以处理工件的装置，该装置具有至少一个由导电材料制成的空心体，其中由该空心体构成的空腔被构造成用于空心阴极放电点火，在该装置运行时在一定的压力范围内并在一定的电压范围内施加电信号时满足在空心体内用于空心阴极进行放电点火的几何条件，并且所述空心体具有至少一个侧面，该侧面通过栅网或者平行的杆或丝线构成，其中，在空心体的空腔的外面沿着所述侧面还设有用于工件的容纳座，所述容纳座与空心体电连接，从而使它们位于相同的电位上，其中，所述几何条件对于压力范围在1×10-3至5×10-2mbar之间得到满足，以及所述几何条件对于电压范围在200至2000V之间的电信号得到满足。
2.按权利要求1所述的装置，其特征在于，空心体固定在用于安放工件支架(4)的转盘机构(9)上。
3.按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述几何条件对于压力范围在4×10-3至2×10-2mbar之间得到满足。
4.按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述几何条件对于电压范围在400至1200V之间的电信号得到满足。
5.按权利要求1所述的装置，其特征在于，电信号是直流电压信号、交流电压信号。
6.按权利要求5所述的装置，其特征在于，所述交流电压信号是在中频范围里的双极或单极脉冲的交流电压信号。
7.按权利要求1所述的装置，其特征在于，空心体具有高度h，其中空心腔的横截面的形状为圆形、椭圆形和多边形。
8.按权利要求7所述的装置，其特征在于，空心体在上面和/或下面通过栅网遮盖。
9.按权利要求7所述的装置，其特征在于，空心体包括多个重叠布置的圆环、椭圆环、多边形环或组合几何形状的环，其中这些环布置成间距a，该间距足够小，以避免在环之间产生中空放电点火。
10.按权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置是工件涂覆装置。
11.真空处理设备，用于等离子体处理，其特征在于，它包括按照上述权利要求之一所述的装置。
12.按权利要求11所述的真空处理设备，其特征在于，该设备包括附加的磁场产生装置，它作用于空心阴极放电间隙上，或者增强等离子体。
13.按权利要求12所述的真空处理设备，其特征在于，磁场产生装置可以产生磁场(13)，该磁场垂直地作用于空心阴极放电间隙上。
14.用于在真空腔中等离子体处理工件的真空处理方法，其特征在于，应用按照权利要求1至10之一所述的装置，用于使等离子体点火和保持运行，或者用于增强已有的等离子体。
15.按权利要求14所述的真空处理方法，其特征在于，应用所述装置，以激励或分裂用于等离子体CVD过程或用于组合的PVD/CVD过程的反应气体或母体。
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