CN101674703B - 级联源以及用于控制级联源的方法 - Google Patents

Abstract

级联源以及用于控制级联源的方法。一种具有阴极罩、多个级联板以及阳极板的级联源，所述级联板彼此绝缘、依次叠置并一起限定至少一个等离子通道，所述阳极板具有连接至所述等离子通道的流出口，其中每个等离子通道设置一个阴极，该阴极包括一个电极，所述电极相对于所述阴极罩在所述等离子通道的方向上可调节，其中，夹紧装置优选为套爪夹头型。还描述了一种用于控制使用中的所述级联源的方法。

Description

级联源以及用于控制级联源的方法

本申请是申请日为2004年5月19日、申请号为200480013795.4(国际申请号为PCT/NL2004/000348)、发明名称为“级联源以及用于控制级联源的方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种设置有阴极罩、多个级联板以及阳极板的级联源(cascade source)，所述各级联板互相绝缘、依次叠置，共同限定至少一个等离子通道，所述阳极板设置有连接至所述等离子通道的流出口。

背景技术

在实践中这样的级联源是众所周知的。最初的级联源是1956年由Maecker发明的。后来，由Kroesen等人又据此发明了氩等离子源。公知的级联源设置有铜阴极罩和三个阴极，阴极具有进入阴极罩的钨尖。在此公知的装置内，级联板由铜制成，并包含冷却通道，通过此冷却通道引入水来冷却级联板。在每两个互相叠置的铜板之间，有O型环、PVC之类的绝缘板以及氮化硼板，它们共同形成真空密封和电绝缘。等离子弧在阴极尖和阳极的流出口之间延伸。通常，级联源连接至处理腔，此处理腔内的压力极度降低。在较高的压力下将流体供应至阴极罩内。该流体从阴极罩通过等离子通道高速流向处理腔。此气流的结果使等离子扩散至处理腔，这样等离子在处理腔是活动的。

在公知的级联源中，三个阴极都与铜阴极罩绝缘。由于在公知的源内导电阴极罩和阴极的电极尖之间的距离很小，在等离子的点火期间，极有可能在短时间内在电极尖和阴极罩之间发生破坏性放电。这种破坏性放电伴随着电极尖的溅蚀，大大缩短了电极尖的使用寿命。

此外，破坏性放电的结果是在处理环境中消耗铜，这对在处理腔内待处理的基板会产生灾难性的后果。因此，在公知的源内，必须定期更换阴极。在公知的设备内，阴极罩内阴极的更换以及随后的电极尖的重新定位是十分费时而艰难的工作。这是因为当拆阴极罩时，也破坏了级联板之间的相互连接。

发明内容

本发明提供一种级联源，该级联源的各方面都得到了改善，因此其能更好地应用于工业。

为此，本发明提供一种级联源，其包括：

阴极罩；

多个级联板，所述级联板彼此绝缘并依次叠置；

由所述多个级联板限定的至少一个等离子通道；

阳极板，所述阳极板设置有连接至所述等离子通道的流出口；

每个等离子通道一个阴极，该阴极包括电极，所述电极相对于所述阴极罩能够沿所述等离子通道的方向调节；并且

所述等离子通道完全由对基板无害的材料制成的部件限定。

使用由对基板无害的材料制成的部件限定等离子通道，会使通过使用该级联源而获得的终端产品的质量更好。

在该级联源的实施例中可包括：

绝缘板，所述绝缘板位于所述级联板之间，并提供所述级联板之间的绝缘；

置于所述绝缘板内部的衬物，所述衬物限定等离子，并由对基板无害的材料制成。

在该级联源的实施例中可包括：

置于所述级联板和所述阳极板内部的衬物，所述衬物限定等离子，并由对基板无害的材料制成。

这两个实施例具有如下优点：可以选择绝缘板和级联板的材料，使得它们最好地适合其目的，例如，绝缘、传热、导电等等。

在一个实施例中，所述级联板和所述阳极板可由铜制成，其中所述衬物的材料包括钼。

在另一个实施例中，所述级联板和具有流出口的所述阳极板可完全由对基板无害的材料制成。

由于电极相对于阴极罩在等离子通道的方向上可调节，优选为棒型的电极的尖的定位可以简单实现。

根据本发明的进一步说明，当所述电极是标准的焊接电极时，本发明特别受欢迎。

因为电极被设计成标准的焊接电极，因此该电极可在全世界通用。构造所述源的设计使得如TIG焊接电极的标准电极，无需调整即可直接使用。这样的电极比迄今所知的级联弧内的电极更能经受高安培电流，而用于公知的弧的电极尖需要特别制作。该标准焊接电极不仅在所关注的购买方面具有特别的优势，而且还具有相当长的使用寿命。且，维护也特别简单。只需磨尖标准焊接电极的端部，就可重新使用焊接电极。

根据本发明的进一步说明，阴极罩连接至电极罩，电极罩具有夹紧装置用于可调节地连接电极。

提供独立的阴极罩，该阴极罩连接至具有夹紧装置的电极罩，这样的事实使得在电极罩和阴极罩的材料选择方面有更多的自由。具有夹紧装置的电极罩向电极传送力用于夹紧电极。此外，电极罩的材料需要适于散发电极内产生的热。

根据本发明的进一步说明，当用于制作阴极罩的材料是非导体材料时，本发明特别受欢迎。这提供了一种优势，那就是电极尖可在与其他金属部件有一定距离的地方被定位。在公知的级联源内，电极尖位于铜阴极罩的壁附近。在一定的压力条件下，特别是在起动的过程中，在公知的源内，在电极尖和阴极罩之间常会发生破坏性放电。这种破坏性的放电伴随着电极尖的溅蚀，大大缩短了电极尖的使用寿命。有时，破坏性放电的结果是铜在处理环境中被用完，这连同一些基板，导致对处理结果的破坏。

为了最大程度地减少破坏性放电，根据本发明的进一步说明，电极尖位于绝缘阴极罩的底部附近，带有夹紧装置的电极罩位于绝缘阴极罩的顶部附近，电极通过电极通道延伸，其延伸至绝缘阴极罩内部。因此，在这种设计中，就不会出现因破坏性放电而使电极熔化到夹紧装置。

而且，在源的起动和正常的使用过程中，为了始终保持不利于破坏性放电的电极通道内的气压梯度，根据本发明的进一步说明，优选地，电极通道的直径仅比电极的直径稍微大一点。

根据本发明的进一步说明，非导体材料可以是陶瓷。

根据本发明的可替换的进一步说明，非导体材料可以是石英。石英具有极好的透明特性，因此其提供了可视地检查电极的可能性。不仅可以检查电极尖的位置和状况，还可以检查等离子是否已点火。

根据本发明的进一步说明，用石英制作的阴极罩上，至少能提供一个传感器。例如，该传感器可以是光学传感器系统，该系统测量等离子内的光谱线。这里，传感器的信号可以被传送至控制装置用于调整该处理，如通过改变气体供应或改变阴极和阳极之间的电势差。另一方面，能够根据观测到的信号实现处理过程的保护。通过使用光学发射光谱分析仪(OES)这种装置，甚至可以执行对阴极罩内形成的等离子的化学分析。

优选地，夹紧装置是套爪夹头型。套爪夹头型的夹紧装置指夹紧装置带有夹紧套，夹紧套的部分长度上带有多个纵向的槽，这样由纵向槽限定的套的壁部能互相轻压。这里，套的外部将包括锥形部件，该锥形部件能被压入锥形腔，这样当其被压入该腔中时，壁部互相挤压。由壁部限定的内部空间，即由套限定的通道，因此变窄。这样，当电极被放入套通道时，电极就被固定，或因通道被缩小而被夹紧。通过释放锥形腔内的套的压力，如可通过旋松锁紧螺母来实现，由于套材料的弹性使得套通道的变窄被取消，因此电极在纵向上可移动。这种夹紧的优点是电极总是保持在夹紧套的中央，而夹紧套反过来又固定在电极罩的中央。因此，能简单地实现电极贯穿于电极通道的中心。套内的纵向槽进一步提供通过这些纵向槽向电极通道供气的可能性。所述气体可以仅由等离子点火气体组成，也可包括反应气体。此外，除了纵向槽，能够提供另外的气体通道用于向电极通道供气。因而能够实现夹紧套的最佳冷却，从而获得电极的最佳冷却。由于套是优选地由金属制成，因而套也可以用来向电极提供电源。因此，套爪夹头型的夹紧装置的功能有三方面：

电极的居中夹紧

向电极提供电源

冷却电极

本发明也涉及一种用于根据本发明控制级联源的方法，特别是一种具有石英阴极罩或基本透明的罩部分的级联源，该透明的阴极罩部分提供检查源内等离子的可能性。该方法包括：

提供根据权利要求1所述的级联源，所述级联源具有罩，该罩的至少一部分基本透明；

通过基本透明的罩部分监测等离子的电磁辐射；

根据所监测的辐射，如通过改变气体供应或改变阴极和阳极之间的电势差或上述改变的组合，控制所述源内的等离子形成过程。

这样，在该处理中，可检查并影响等离子的含量、温度以及其他特性，这非常有望获得有效安全的源的操作。

根据本发明的进一步说明，可由至少一个设置在阴极罩上的传感器通过基本透明的罩部分来执行对等离子的检测。

被监测的电磁辐射可以在IR(红外线)、可见光和/或UV(紫外线)光谱范围之内。

通过监测等离子而获得的信号可用作IR、光学或UV发射光谱分析仪，以对阴极罩内形成的等离子做化学分析。

载气和/或反应气体的量可根据通过监测等离子而获得的数据进行调节。这样做可为所执行的处理获得最佳等离子。

而且，通过监测等离子而获得的数据可用来控制源的安全，如当观察到危险的等离子状况时，关闭源或调整源。

附图说明

在各权利要求中对本发明作详细说明，下面将根据示范性的实施例并参照附图进一步阐述本发明。

图1是级联源的示范性实施例的俯视图；

图2是图1中沿线II-II的第一截面图；

图3是图1中沿线III-III的第二截面图；以及

图4a-4b示出了带多个等离子通道的级联板的两个示例。

具体实施方式

图1中的级联源的示范性实施例的俯视图清晰地示出了图2和图3中截面的截取方式。

图2中的第一截面图示出了级联源1，其设置有阴极罩2和电极罩3，电极罩3具有用于电极5的夹紧装置4。而且，可看见各级联板6，这些级联板6由特氟纶绝缘板7互相电绝缘。级联板6和绝缘板7一起限定等离子通道8。在级联板6远离阴极罩2的一侧，安排有阳极板9，阳极板9设置有连接至等离子通道8的流出口10。应该注意，也可提供多个等离子通道8。优选地，电极5是标准商业可用的焊接电极，如TIG焊接电极。设计电极罩3内的夹紧装置4，使得电极5沿等离子通道8的方向上可相对阴极罩2调节。

在本示范性的实施例中，阴极罩2由非导体材料制成，如陶瓷或石英。图中可清楚地看到，电极5的尖5a位于绝缘阴极罩2的底部附近，带有夹紧装置4的电极罩3位于该绝缘阴极罩的顶部附近。电极5穿过电极通道11延伸，其延伸至绝缘阴极罩2内。电极通道11的直径比电极5的直径稍微大一点。

装配在电极罩3中的夹紧装置4是套爪夹头型。为此，设置有夹紧套12，夹紧套12具有纵向槽并具有外护套，外护套具有锥形部分13。锥形部分13可被压入具有相应的锥形形状的腔14。当拧紧固定螺母15时，施加压力。在电极5上面放置有保护盖，通过此装置，远离电极尖5a的电极的末端得到了保护。

电极罩3设置有连接至冷却通道18的连接短管17。而且，尤其在图3中，可以看到电极罩3内的供气连接件34。还是在级联板6内，设置有冷却通道19，其与连接短管20相连，用于冷却线圈。在阳极板9内，可看到冷却通道21，其与连接短管22相连。而且，可看到液体供应环30，其连接至供气通道31，供气通道31连接至供应短管32，用于以液体、气体或粉末的状态供应辅助流体。

图3清楚地示出了由第一连接装置23、24将级联板6和阴极罩2相互保持在一起。电极罩3通过第二连接装置25连接至阴极罩2。这样可实现把电极罩3从具有级联板6的阴极罩2上取下来，而不会破坏级联板6和阴极罩2之间的互相连接。特别是在用于重新定位电极尖的时候，在不破坏各级联板6以及带阴极罩2的各级联板6之间的互相连接的情况下，从阴极罩2取下电极罩3时十分方便。当重新放置或重新设置电极尖时，这大大节省了设置时间，这十分重要，特别是在生产环境中。

在本示范性的实施例中，各级联板6和阴极罩2通过螺纹连接端/螺母组件23、24互相连接，该组件从阳极板9延伸至阴极罩2远离级联板6的一侧。螺纹连接端由陶瓷衬套26绝缘，到达阴极罩2内的凹槽27(见图3)。这样，在螺纹连接端23之间的破坏性放电的机会就被降低到最低程度，实际上该螺纹连接端23具有阳极板9的电势。图3也清晰地示出了在阴极罩2远离级联板6的一侧设置有凹槽28，在凹槽28中容纳螺纹连接端/螺母组件的螺母24。由于螺母24和螺纹连接端23的末端与电极罩3有一定的距离，这样，可防止电极罩3和螺纹连接端/螺母组件23、24之间的破坏性放电。

根据另一个实施例，这里未示出，级联板和中间绝缘板之间的连接可通过焊接连接来实现，而不是通过螺纹连接端/螺母组件夹紧来实现连接。这意味着级联板与绝缘板成为一体。那么，该源只包括以下的主要部件：电极罩、阴极罩、级联叠堆以及阳极板。当级联叠堆被包围在封闭的空间并具有防短路的充分绝缘时，这提供了用冷却介质如水来包围级联叠堆的可能性。在此实施例中，绝缘板可以用如AlO合金制成。在两个平的侧面，这种绝缘板可提供有可焊接的金属层，如钼层。

为了防止铜污染该处理环境，等离子通道8可全部由利用对基板无害的材料制成的部件限定。对于太阳能电池的生产，这些可以是钼部件。在本示范性的实施例中，只在绝缘板7的内部放置钼衬物33。同样，限制流出口10的阳极板9内的喷嘴29也是由钼制成的。在本示范性的实施例中，级联板6完全由对基板无害的材料制成。级联板6也可以由铜制成，并仅在等离子通道8的位置处，设置对基板无害的衬物，如按照对绝缘板7所示的方式。后一种方案具有这样的优点：能实际利用铜良好的导热性能，同时，仍然将铜对处理环境的污染降到最低程序。

图1清楚地示出了容纳于导电级联板6之间的绝缘板7的外形尺寸比级联板6的外形尺寸大。该措施也可用于防止各级联板6之间的短路，如因在冷却的级联板外面形成的凝结物而导致的短路。较大的绝缘板7可防止、或至少可降低这种短路的机会。

显而易见本发明并不限于该示范性的实施例，而是可在权利要求所限定的范围之内作各种修改。

例如，图4a和图4b分别示出了其内贯穿有等离子通道8的级联板6的俯视图。在此实施例中，每个等离子通道8具有相应的电极5。优选地，等离子通道8的定位与待处理的基板的形状相匹配，这样可在基板的整个表面获得所期望的处理。

而且，至少一个级联板可提供有供气通道用于辅助气体。从而能够实现在源内的一部分仍有较高的压力，可向等离子供应反应气体。这提供了这样的优点：源内较高的气体浓度使反应过程加快。

Claims (28)

1.一种级联源，包括：

阴极罩；

多个级联板，所述级联板彼此绝缘并依次叠置；

由所述多个级联板限定的至少一个等离子通道；

阳极板，所述阳极板设置有连接至所述等离子通道的流出口；

绝缘板，所述绝缘板位于所述级联板之间，并提供所述级联板之间的绝缘；

置于所述绝缘板内侧的衬物，所述衬物限定所述等离子通道，并由对基板无害的材料制成；

每个所述等离子通道具有一个阴极，该阴极包括电极，所述电极相对于所述阴极罩能够沿所述等离子通道的方向调节；并且

所述等离子通道完全由对基板无害的材料制成的部件限定；

所述级联板和所述阳极板由铜制成；并且

衬物置于所述级联板和所述阳极板内侧，所述衬物限定所述等离子通道，并由对基板无害的材料制成。

2.根据权利要求1所述的级联源，其中被置于所述级联板和所述阳极板内侧的所述衬物的材料包括钼。

3.根据权利要求1所述的级联源，其中所述电极是标准焊接电极。

4.根据权利要求1所述的级联源，包括：

电极罩，所述电极罩具有夹紧装置用于可调节地连接所述电极，所述阴极罩连接至所述电极罩。

5.根据权利要求1所述的级联源，其中所述阴极罩由非导体材料制成。

6.根据权利要求4所述的级联源，其中所述电极具有位于该阴极罩的底部附近的电极尖，并且其中带有所述夹紧装置的所述电极罩位于所述阴极罩的顶部附近，其中，所述电极穿过电极通道延伸，其延伸至所述阴极罩内部。

7.根据权利要求6所述的级联源，其中所述电极通道的直径仅稍大于所述电极的直径。

8.根据权利要求5所述的级联源，其中所述非导体材料是陶瓷。

9.根据权利要求5所述的级联源，其中所述非导体材料是石英。

10.根据权利要求9所述的级联源，其中所述阴极罩上至少设置有一个传感器。

11.根据权利要求10所述的级联源，其中所述传感器为光传感器系统。

12.根据权利要求10所述的级联源，其中所述传感器的信号被传送至控制装置用于调整处理。

13.根据权利要求12所述的级联源，其中所述传感器的信号被传送至控制装置用于改变气体供应或改变阴极和阳极之间的电势差。

14.根据权利要求10所述的级联源，其中所述传感器是设备的一部分，该设备用于执行光发射光谱仪分析，以用于所述阴极罩内形成的等离子的化学分析。

15.根据至少权利要求4所述的级联源，其中由第一连接装置把所述级联板和所述阴极罩相互保持在一起，其中所述电极罩通过第二连接装置连接至所述阴极罩，从而能够实现将所述电极罩从具有所述级联板的所述阴极罩上取下来，而不会破坏所述级联板和所述阴极罩之间的相互连接。

16.根据权利要求4所述的级联源，所述级联板和所述阴极罩通过螺纹连接端/螺母或螺栓/螺母组件互相连接，该组件从所述阳极板延伸至所述阴极罩远离所述级联板的一侧，其中，所述螺纹连接端或螺栓由陶瓷衬套绝缘，到达所述阴极罩内的凹槽。

17.根据权利要求16所述的级联源，其中在所述阴极罩远离所述级联板的一侧提供有凹槽，凹槽能够容纳螺纹连接端/螺母或螺栓/螺母组件的螺母，以使螺母以及螺纹连接端的末端或螺栓与电极罩保持一定距离。

18.根据权利要求1所述的级联源，包括：

绝缘板，容纳在所述多个级联板之间，所述绝缘板的外形尺寸比所述级联板的外形尺寸大。

19.根据权利要求1所述的级联源，设置有多于一个的电极和相应数量的等离子通道。

20.根据权利要求19所述的级联源，其中等离子通道的定位与待处理的基板的形状相匹配，从而能够在所述基板的整个表面获得所期望的处理。

21.根据权利要求1所述的级联源，其中，在至少一个级联板内设置有延伸至至少一个等离子通道的供气通道。

22.根据至少权利要求2所述的级联源，其中所述级联板和所述绝缘板之间的连接由焊接连接来实现。

23.一种用于控制级联源的方法，所述方法包括：

提供根据权利要求1所述的级联源，其中所述阴极罩包括基本透明的罩部分；

通过基本透明的罩部分监测等离子的电磁辐射；

根据所监测的辐射，通过改变气体供应或改变阴极和阳极板之间的电势差或通过上述改变的组合，控制所述级联源内的等离子形成过程。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，由至少一个设置在所述阴极罩上的传感器执行通过基本透明的罩部分监测等离子。

25.根据权利要求24所述的方法，其中，被监测的电磁辐射在红外线、可见光和/或紫外线光谱范围之内。

26.根据权利要求23所述的方法，其中通过监测等离子而获得的信号用作红外线、可见光或紫外线发射光谱仪分析，以便用于阴极罩内形成的等离子的化学分析。

27.根据权利要求23所述的方法，其中载气和/或反应气体的量根据通过监测等离子而获得的数据进行调节。

28.根据权利要求23所述的方法，其中通过监测等离子而获得的数据用来控制所述级联源的安全，当观察到危险的等离子状况时，关闭所述级联源或调整所述级联源。

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