CN102449721B

CN102449721B - 用于产生等离子体并用于朝着目标引导电子流的装置

Info

Publication number: CN102449721B
Application number: CN201080022641.7A
Authority: CN
Inventors: 里卡尔多·洛蒂; 彼得·诺扎尔; 卡洛·塔利亚尼
Original assignee: Organic Spintronics Srl
Current assignee: Organic Spintronics Srl
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2030-03-23
Also published as: US20120081006A1; IT1395701B1; WO2010109297A3; EP2411996B1; JP2012521627A; EP2411996A2; ITBO20090167A1; US8803425B2; WO2010109297A2; CN102449721A

Abstract

一种用于产生等离子体并用于朝着特定目标(3)引导电子流的装置(1)；装置(1)包括：中空阴极(5)；主电极(7)，至少部分地设置在阴极(5)内；电阻器(12)，将主电极(7)电接地；基本介电的管状元件(21)，穿过阴极的壁(22)延伸；环状阳极(25)，围绕管状元件(21)设置并接地；以及激活组(11)，所述激活组电连接至阴极(5)，并能够在约10ns内使阴极(5)的电位降低至少8kV。

Description

用于产生等离子体并用于朝着目标引导电子流的装置

技术领域

本发明涉及一种用于产生等离子体的装置、包括这样装置的设备以及用于将材料层施加到支撑件(support)上的方法。

目前使用电子脉冲流来将特定材料薄层施加到基板上。这种技术如今在电场中得到了一个特别有利的应用，用于微芯片的生产。

背景技术

已知用于产生用来生产薄层的电子脉冲流的不同实验系统。然而，据我们所知，仅发现两个系统具有工业应用。这些系统基于一种被称为渠道火花烧蚀法(Channel Spark Ablation)的工序。在这些系统中，通过从等离子体中提取电子而出现流的产生，所述等离子体通过施加一个不高的(not elevated)位差(低于30kV)而在稀薄气体中产生。

使用渠道火花烧蚀工序的已知装置的实例在图8和图9中示出，并在公开号为WO2006/105955A2的专利申请中公开。特别地，已知的装置A包括：金属阴极B，所述金属阴极具有中空圆柱形的形状，并电连接至馈电器C；密封的安瓿(ampoule)D，由介电材料(玻璃和/或陶瓷)制成，并连接至阴极B；以及辅助电极E，设置在安瓿D内(图8)或外(图9)。装置A进一步包括：毛细管F，所述毛细管由介电材料制成，并在关于安瓿D的相反侧上从阴极B伸出；以及阳极G，所述阳极是环状的，并围绕毛细管F设置在阴极B外。

在使用中，阴极B保持在相对高的负电位(即，具有负电荷)；当在辅助电极E上产生电脉冲(例如通过将所述电极接地)时，形成辉光放电，这又在阴极B内产生正电荷。通过发射电子来补偿正电荷，于是朝着毛细管F内的阳极G加速所述电子。电子在其向外运动期间进一步使分子电离，因此进一步产生电子(被称为二次电子)。从毛细管G朝着目标H发送在阴极B内产生的电子和二次电子。

上述类型的已知装置具有若干缺点，其中，例如：

-因为安瓿F和阴极B两者的存在，所以装置是相对细长的，且因此庞大；

-装置可能相对容易受损；安瓿D由比由金属材料制成的其它部件易碎得多的介电材料制成；

-装置难以生产；因为安瓿D的易碎性，所以将辅助电极E不漏流体地插入到安瓿D中是非常困难的；

-装置发射低密度的电子流(该密度在辅助电极E设置在安瓿D外时特别低)；这导致薄层的生产时间相应增加；

-装置几乎不可控：考虑到阴极B长期保持充电，可能在阴极B与阳极G之间出现自发的放电。

NAKAGAMA等人的文章(“Production of pulse high density electronbeam by channel spark di scharge”，TRANSACTIONS OF THE INS TITUTEOF ELECTRICAL ENGINEERS OF JAPAN，PART A INST.ELECTR.ENGJAPAN，vol.120-A，no.4，2000年4月(2000-04)，391-397页，XP002553605ISSN：0385-4205)公开了一种与上面描述的装置类似的装置，所述装置同样具有所有提到的缺陷。特别地，所引文章的装置包括：黄铜管状阴极，安装在玻璃安瓿上；以及辅助电极，设置在安瓿内完全处于阴极外。该装置使用所谓的“中空阴极放电”(第11页，第2栏，第6行)；即，在安瓿内产生辉光放电，所述辉光放电具有低密度的电子。

由公开号为US2005/012441的专利申请公开的装置的结构、功能以及缺点与上面指出的那些类似。

发明内容

本发明的目标是提供一种用于产生等离子体的装置、一种用于将材料层施加到支撑件上的设备及方法，其允许至少部分地克服已知的现有技术的缺点，且同时生产起来是容易且便宜的。

根据本发明，提供了根据在所附独立权利要求中以及优选地在直接地或间接地引用独立权利要求的任一项权利要求中所陈述的用于产生等离子体的装置、用于将材料层施加到支撑件上的设备及方法。

附图说明

在下文中参照示出了一些非限制性实施例的附图描述本发明，附图中：

-图1示意性地示出了根据本发明的设备及装置；

-图2是根据本发明的装置的一部分的透视侧视图；

-图3是图2中的装置的分解部件的透视图；

-图4是图2中的装置的分解部件的透视侧视图；

-图5是图2中的装置的一部件(主电极)的透视图；

-图6和图7是图2中的装置的一部件(阴极)的相反侧的透视图；以及

-图8和图9示出了属于现有技术的装置。

具体实施方式

图1中的标号1从整体上指出用于敷设(lay down)特定材料的设备。设备1包括用于产生等离子体(即，使稀薄气体至少部分地电离)并用于朝着目标3引导电子流的装置2，所述目标具有特定材料(特别地，由特定材料制成)，从而使得特定材料的至少一部分与目标3分离并敷设在支撑件4上。

根据可替代的实施例，特定材料可由单一均质材料形成，或由两种或更多种不同材料的组合形成。

有利地，将目标3接地。这样，目标3不排斥(且实际上吸引)电子流，即使电子已经击中目标3。

装置2包括：中空元件5，所述中空元件作为阴极，并具有(在外部限定)内腔6；以及主电极7，所述主电极包含金属(特别地，是基本导电的)材料(特别地，由金属材料制成)，并布置在腔6(通过中空元件5限定的)内。特别地，中空元件5包含金属材料(更特别地，是基本导电的)(更特别地，由金属材料制成)。根据一些实施例，中空元件包含在以下各项构成的组中选择的材料(特别地，由该材料制成)：不锈钢、钨、钼、铬、铁、钛。根据一些实施例，主电极7包含在以下各项构成的组中选择的材料(特别地，由该材料制成)：不锈钢、钨、钼、铬、铁、钛。

根据图1所示的实施例，主电极7通过中空元件5的壁8延伸。在主电极7与壁8之间插入有基本介电材料(特别地是陶瓷)的环状件9。

此外，装置2包括电阻器10，所述电阻器将主电极7接地，并具有至少为100Ohm、有利地至少为1kOhm的电阻。特别地，电阻器10具有约20kOhm的电阻。

根据其他实施例，使用具有等效功能的另一电子器件而非电阻器10。

腔6内存在有稀薄气体。根据一些实施例，所述腔装有处于低于或等于10^-2mbar的压力下的稀薄气体。有利地，装在腔6内的稀薄气体示出了包含在10^-2mbar到10^-5mbar之间、具体地为约10^-3mbar的压力。

在这点上，应注意，设备2包括：气体供给组件(本身已知且未示出)，以将无水气体(非限制性实例-氧气、氮气、氩气、氦气、氙气等)供给到腔6内；以及抽吸组件(本身已知且未示出)，包括泵，并能够使腔6中的气体变稀薄(即，降低腔6内的气压)。供给组件和抽吸组件借助于管线(duct)23连接至中空元件5。

中空元件5电连接至激活组(activation group)11，所述激活组能够在少于20ns内使中空元件5的电位降低至少8kV(特别地，从基本等于零的电位开始)，向中空元件发送带有至少为0.16mC的电荷的电脉冲。根据一些实施例，前述电脉冲低于或等于0.5mC。

因此，在使用中，激活组11根据前述参数在中空元件5与主电极7之间强加一位差。因此，在腔6内产生(即，使稀薄气体至少部分地电离)一些等离子体。

有利地，激活组11能够在少于15ns内、特别地在约10ns内在中空元件5上强加从8kV到25kV的电位降。

特别参照图1所示的，将中空元件5接地。这样，当未执行电子流的发射时，中空元件保持在基本为零的电位，并且基本避免了中空元件5与主电极7之间的自发放电的危险。

特别地，电阻器12连接在中空元件5与大地之间。根据一些实施例，电阻器12具有至少为50kOhm的电阻。有利地，电阻器12具有至少为100KOhm、特别地约为0.5MOhm的电阻。根据一些实施例，该电阻低于1MOhm。

根据其他实施例，使用具有等效功能的另一电子器件而非电阻器12。

根据图1所示的实施例，激活组11包括：闸流管13；电容器14，所述电容器具有连接至闸流管13的阳极15的一框架以及连接至中空元件5的另一框架；以及馈电器16，所述馈电器具有电连接至阳极15的正电极17以及接地的负电极18。

此外，闸流管13具有接地的阴极19。

激活组11还包括闸流管13的控制单元20，所述控制单元20可操作闸流管13并接地。

根据未示出的实施例，激活组11包括电脉冲的磁压缩器或Blumlein高电位电脉冲发生器。有利地，磁压缩器(或脉冲发生器)替代闸流管13和相关的控制单元20。

装置2进一步包括操作员界面组(已知且因此未示出)，所述操作员界面组允许操作员调整对装置2的操作(例如，对工作参数的操作和/或修改)。特别地，操作员界面组包括个人计算机、显示器、键盘和/或定点装置(例如鼠标)。操作员界面组连接至控制单元20。

根据其他实施例，使用具有等效功能的另一电子器件而非电容器14。

此外，装置2包括管状元件21，所述管状元件由基本介电的材料(特别地是玻璃)制成，并穿过中空元件5的与壁8相对的壁22延伸，且部分地位于腔6内，部分地位于外室24内。管状元件21具有将腔6连接至外室24的内管腔，在所述外室中，设置有目标3和支撑元件4。管状元件21和相关的内管腔具有相应的基本为圆形的横截面。

根据特定实施例，管状元件21具有从90mm到220mm的长度。管状元件具有从约5mm到约7mm的直径。管状元件21的内管腔具有从约2mm到约4mm的直径。装置2的其它部件与根据图4所示的基本成比例(关于管状元件21的尺寸)。

外室24以这样的方式来建造，即，使得其关于外部环境是不漏流体的。

装置2进一步包括外部元件25，所述外部元件沿管状元件21(即，与管状元件21的一端不相关)设置在外室24中，并作为阳极。特别地，外部元件25与管状元件21的外表面相接触。

在使用中，当在腔6内形成的电子进入管状元件21时，通过外部元件25建立的位差允许朝着目标3沿管状元件21加速电子。在其运动期间，这些电子进一步撞击气体分子，且因此确定二次电子的发射，这又朝着目标3加速二次电子。

装置2进一步包括电位保持组26，所述电位保持组电连接至外部元件25，从而保持外部元件25的电位基本等于或高于零。特别地，电位保持组26使外部元件25的电位基本接地。

外部元件25成形为使得其围绕管状元件21而设置；特别地，外部元件25具有一孔，管状元件21穿过该孔延伸。根据特定实施例，外部元件25是环状的。

特别地参照图2、图3和图4，中空元件5具有截面基本为圆形的基本为圆柱形的形状，并通过安装两个有孔板28和29而获得，一旦安装，所述两个有孔板分别限定壁8和9。

参照图2、图3和图4，装置2进一步包括管道30，所述管道由介电材料(特别地是玻璃和氧化铝)制成，并围绕管状元件21的截面而设置，以机械地连接中空元件5和外部元件25。在管道30与外部元件25之间插入有由聚合物材料制成的环状件31。

参照图3、图4和图5，主电极7具有由金属材料制成并借助于电连接器HV 33接地的网状端部32。

图6和图7分别示出了腔6的内部和中空元件5与管状元件21之间的连接。

指出以下内容是重要的，即，装置2的不同部件通过插入合适的衬垫而彼此紧密地连接。

在使用中，当激活组11在中空元件5上引发电脉冲时，外部元件25的电位在约10ns-20ns内下降至地电位。在这样的短时间间隔中，中空元件5处于“漂浮”状态中。这导致中空元件5的电位非常迅速地降低。

因此，在腔6的内表面与主电极7之间，电弧发光。电弧的等离子体在管状元件21内扩展开来，并使渠道化火花放电，这又产生高能电子流。

注意到以下内容是重要的，即，可用实验方法观察到根据本发明的装置2可产生特别密集的等离子体，且因此产生非常强烈的电子流(特别地，比可借助于已知装置获得的那些电子流更强烈-这决定了薄层的生产时间相应增加)。特别地，已用实验方法观察到，根据本发明的装置2能够产生密度近似为10¹⁷电子/cm³的等离子体，然而，另一方面，已知装置(诸如在WO2006/105955A2、US2005/012441A1中公开的以及在所引的NAKAGAWAY等人的文章中公开的那些装置)产生密度为约10⁹电子/cm³的等离子体。

因此，根据本发明的装置具有惊人地高于已知装置的效力和效率。

特别地，已用实验方法观察到，在工序开始时，产生持续时间为约50ns的高能电子脉冲(受加速电压或电容器的充电电压控制)。朝着目标3借助于管状元件21引导并发送因此产生的电子。此时，中空元件5与目标3之间的电流消失，然后由于在中空元件5与目标3之间形成的短路借助于同时在管状元件21中出现的等离子体柱而再次增加。

注意装置1(本发明的目的)不需要存在连接至中空元件5的安瓿。因此，装置1绝不会是庞大的，易于生产且是机械耐久的。

除明确指出是相反的，否则将在本文中所引的参考文献(文章、书籍、专利申请等)的内容完全结合于此。

Claims

1.一种用于产生等离子体并用于朝着目标(3)引导电子流的装置；所述装置(2)包括：中空元件(5)，所述中空元件具有腔(6)并设计成作为阴极；主电极(7)；介电的管状元件(21)，所述管状元件穿过所述中空元件(5)的壁(22)从所述腔(6)延伸至外室(24)；以及外部元件(25)，所述外部元件设计成作为阳极，关于所述中空元件(5)设置在外部，并位于所述管状元件(21)外部且沿着所述管状元件；

所述装置(2)的特征在于，所述装置包括激活组(11)，所述激活组电连接至所述中空元件(5)，并能在少于20ns内使所述中空元件(5)的电位降低至少8kV；所述主电极(7)至少部分地设置在所述中空元件(5)的所述腔(6)内，

其中，为了在少于20ns内使所述中空元件(5)的电位降低至少8kV，所述激活组(11)能发射包含有介于0.16mC到0.5mC之间的全局式电荷的电脉冲。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述中空元件(5)包含导电的金属材料。

3.根据权利要求1或2所述的装置，并包括将所述主电极(7)电接地的第一电阻装置(10)。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第一电阻装置(10)具有高于100Ohm的电阻。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述腔(6)装有处于低于或等于10^-2mbar的压力下的稀薄气体。

6.根据权利要求3所述的装置，其中，装在所述腔(6)内的稀薄气体具有从10^-2mbar到10^-5mbar的压力。

7.根据权利要求1所述的装置，并包括电位保持组(26)，所述电位保持组电连接至所述外部元件(25)并能够保持所述外部元件(25)的电位基本等于或高于零。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述电位保持组(26)将所述外部元件(25)的电位接地。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述外部元件(25)形成为使得所述外部元件(25)围绕所述管状元件(21)而设置。

10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述激活组(11)包括闸流管(13)。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述激活组(11)包括：电容装置(14)，所述电容装置的一侧电连接至所述闸流管(13)的阳极(15)而另一侧电连接至所述中空元件(5)；以及馈电器(16)，所述馈电器具有电连接至所述闸流管(13)的所述阳极(15)的正电极(17)。

12.根据权利要求1所述的装置，并进一步包括第二电阻装置(12)，所述第二电阻装置具有至少为50kOhm的电阻并电连接在所述中空元件(5)与大地之间。

13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述激活组(11)包括磁脉冲压缩器或Blumlein电脉冲发生器。

14.一种用于将特定材料施加到支撑件(4)上的设备，所述设备包括外室(24)、由特定材料制成并设置在所述外室(24)中的目标(3)；

所述设备(1)的特征在于，所述设备(1)包括如前述权利要求中的一项所限定的装置(2)，所述装置的所述腔(6)与所述外室(24)连通并装有处于低于10^-2mbar的压力下的气体；所述装置(2)能够对着所述目标(3)引导电子流，从而使得所述特定材料的至少一部分离开所述目标(3)并停落在所述支撑件(4)上。

15.一种用于将特定材料施加到支撑件(4)上的方法，所述方法包括发射步骤，在所述发射步骤期间，根据权利要求1到12中的一项所述的装置(2)对着具有所述特定材料的目标(3)引导电子流，以使所述特定材料的至少一部分离开所述目标(3)并朝着所述支撑件(4)引导所述特定材料的该至少一部分。