CN104094377A - 用于产生空心阴极电弧放电等离子体的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生空心阴极电弧放电等离子体的装置，由两个等离子体源（11；12）组成，所述等离子体源分别包括空心阴极（13；14）和属于空心阴极（13；14）的电极（15；16），该电极具有穿过该电极（15；16）延伸的开口，其中两个等离子体源（11；12）的空心阴极（13；14）被连接到脉冲发生器（17）上，所述脉冲发生器在两个空心阴极（13；14）之间产生双极中频脉冲电压。在此，在两个等离子体源（11；12）中所述空心阴极（13；14）直接地或在中间连接至少一个限制电流方向的元件（38；39）的情况下与所属的电极（15；16）导电连接。

Description

用于产生空心阴极电弧放电等离子体的装置

技术领域

本发明涉及一种用于在反应或不反应涂层应用中借助以交变的极性来脉动的空心阴极电弧放电源产生用于真空过程的密集的等离子体的装置。该装置除了涂覆静止的衬底之外特别是还能够实现移动的带状的衬底的涂覆。该装置适合于在惰性气体和反应气体气氛中使用并且因此也可用于表面处理和等离子体蚀刻过程。如果在随后的发明描述中仅使用概念空心阴极，那么以此总是意指空心阴极电弧放电源的空心阴极。本发明因此与以下装置划清界限，在这些装置中使用空心阴极辉光放电源。

背景技术

已知的是，在10^-2 Pa和1 Pa之间的低压范围内利用空心阴极电弧放电等离子体可以获得很高的、数量级为10¹² cm^-3的载流子密度。如果在层沉积时形成层的颗粒遭受这样的等离子体，那么可以获得有利的层特性。

为此如下装置是已知的，在这些装置中蒸汽特别是针对较大的涂覆面积和高的涂覆速率可以通过以下方式有效地被激活，即空心阴极等离子体仅被用于等离子体激活。这些装置的等离子体放电以直流电来运行。除了空心阴极之外为了生成等离子体所需的阳极在这样的装置中部分地与蒸发设备耦合（DE 196 12 344 C1）。蒸发坩埚或被布置在蒸发坩埚附近的作为阳极的电极的使用有以下缺点，即装置的功能能力受限于与导电材料的蒸发相关联的等离子体激活。

此外已知的是，借助磁场来引导等离子体。如果通过合适的磁场产生设备产生纵向的磁场，使得该磁场的一些场力线从空心阴极通向阳极，那么较高能量的辐射电子在其从空心阴极到阳极的路径上在连接的场力线的范围内保持结合并且将高密度的等离子体保持在与衬底的一定的间距中（DE 42 35 199 C1）。在此不利的是，由于较高能量的辐射电子远离衬底，阻止高的自偏置电位的建立。其它的缺点在于，可应用性保持受限于具有昂贵的磁体系统的蒸发设备的特别的构型。在蒸发绝缘材料的情况下，为了维持阳极处的导电性附加地需要巨大的有关仪器的花费。

DE 195 46 827 A1描述一种用于蒸发绝缘材料的装置，在该装置中环状的阳极（所谓的环形阳极）直接被布置在空心阴极之前，以便仅通过已经穿过环形阳极的开口的辐射电子来产生对于等离子体激活有效的等离子体。在该情况下，没有干扰性的绝缘层沉积在环形阳极上，因为该环形阳极基本上位于蒸汽范围之外并且该环形阳极通过撞击的辐射电子强烈地被加热。因为蒸汽的等离子体激活的范围位于在空心阴极和阳极之间所建立的电场之外，然而存在以下缺点，即在等离子体中只可以产生比利用包含空心阴极和阳极之间的要激活的范围的装置明显更低的载流子密度。此外，辐射电子的作用距离限制等离子体的几何延伸。

在DE 199 02 146 A1中提出，将两个由先前所提到的文献已知的产生等离子体的、分别包括空心阴极与所属的环形阳极和被连接在其间的直流电压源的设备相对地布置并且在两个空心阴极之间产生双极中频脉冲电压。在该装置中，由于在空心阴极和环形阳极之间的直流电压源，不断地在产生等离子体的设备的空心阴极和所属的环形阳极之间产生等离子体。在两个产生等离子体的设备之一根据双极电压脉冲以阴极被连接的阶段中，以阴极被连接的产生等离子体的设备的等离子体从该设备的空心阴极被吸引直到相对的产生等离子体的设备的环形阳极。以该方式，在两个环形阳极之间形成大体积的空心阴极电弧放电等离子体。在这种技术上要求高的结构的情况下产生不利的影响的是，许多过程参数必须被调节，以便获得始终不变的等离子体条件。

发明内容

因此本发明所基于的技术问题是，创建一种用于产生空心阴极电弧放电等离子体的装置，借助该装置可以克服现有技术的缺点。特别是应该利用该装置可产生不仅具有高强度的等离子体而且具有大体积的等离子体。此外，该装置应该相对于现有技术以技术上简化的结构而出众并且即使在具有直至100 Pa的环境压力的应用情况下也构造稳定的等离子体。

该技术问题的解决方案通过具有权利要求1的特征的主题得出。本发明的其它的有利的改进方案由从属权利要求得出。

根据本发明的装置包括两个产生等离子体的设备，所述设备相对地被布置。两个产生等离子体的设备中的每个由空心阴极和电极组成，其中工作气体流过该空心阴极的管，该电极具有穿过该电极延伸的开口。阴极管的开口随后被称为空心阴极的出口或输出口，其中工作气体从该阴极管流出。

在一种实施方式中，电极被布置在空心阴极的出口之前。替代地，但是阴极管也可以以其出口的一侧伸入到所属的电极的开口中或者也可以完全穿过所属的电极的开口伸出。在此穿过电极的开口伸出的阴极管可以具有与该电极的机械接触或者在一种替代的实施方式中与该电极相间隔。

优选地，这样的电极被构造为环状的电极并且被布置，使得空心阴极管和环形电极的延长的轴线是相同的。

根据本发明的装置的两个空心阴极的输出口是朝向彼此的。在此，两个产生等离子体的设备（随后也被称为等离子体源和单数形式的等离子体源）可以相对地被布置，使得两个空心阴极管的延长的管轴线是相同的。替代地，两个空心阴极管的管轴线也可以相对于彼此具有一个角度。

此外，脉冲发生器属于根据本发明的装置，该脉冲发生器被电连接在两个空心阴极上并且在两个空心阴极之间产生双极中频脉冲电压。脉冲在此可以具有1Hz到1MHz的范围内的频率。为了在极性变换时禁止在两个空心阴极之间所产生的等离子体的衰变，极性变换应该以至少1kHz的频率来实施。因此已经被证明为有利的是，该脉冲发生器以1kHz到100 kHz的范围内的频率来运行。

在现有技术中，具有迄今所描述的特征的产生等离子体的设备还具有直流电压源，该直流电压源被连接在空心阴极和被布置在空心阴极输出口之前的电极（在现有技术中被构造为阳极）之间。该直流电压源负责，不断地燃烧在空心阴极和被布置在该空心阴极之前的电极之间的等离子体。

而根据本发明的装置没有这样的在空心阴极和所属的电极之间的直流电压源。代替于此，在根据本发明的装置中属于产生等离子体的设备的空心阴极与所属的电极导电连接。

根据本发明的装置通过以下方式被点燃，即借助脉冲发生器来提供具有点火电压的点火脉冲，该点火电压是燃烧电压（Brennspannung）的多倍。该点火电压在此可以是燃烧电压的10倍或甚至50倍。为了点燃根据本发明的装置，根据该装置的配置，可能需要100V到5000V的范围内的电压。脉冲发生器的双极点火电压脉冲首先在两个产生等离子体的设备之间引起辉光放电，由于所述双极点火电压脉冲，两个空心阴极一直被加热，直到该辉光放电转变为空心阴极电弧放电。电弧放电在此从分别以阴极被连接的空心阴极主要燃烧到相对的、以阳极被连接的等离子体源的电极。等离子体源的阳极阶段也是为什么需要非得具有与所属的空心阴极相等的电位的电极的原因。以阳极被连接的空心阴极独自的表面太小，以致于不能从等离子体中提取对于维持高电弧电流所需的每时间单位的多个电子。属于等离子体源的电极因此仅仅用于在产生等离子体的设备的阳极阶段中扩大阳极表面。

如上面已经提及一次的，产生等离子体的设备的电极可以被布置在所属的空心阴极的出口之前，使得空心阴极管的延长的轴线穿过电极的开口延伸。因为在根据本发明的装置中电极基本上仅仅有助于在阳极阶段中扩大表面并且不燃烧在空心阴极和所属的电极之间的电弧放电，所以在一种替代的实施方式中阴极管本身也可以穿过电极的开口延伸。在此，电极环可以与阴极管相间隔或者也可以具有与阴极管的机械接触。如果电极具有与空心阴极的机械接触，那么取消两个元件的电连接接触。而产生不利的影响是，用于加热空心阴极所需的热能被引出到电极材料中。如果通过电极的开口延伸的空心阴极管与该电极相间隔，那么情况相应地是相反的。于是少量的热能从空心阴极被引出到电极材料中，但是附加地还需要两个元件的电连接接触。

为了完整起见还应该提及，在点燃两个产生等离子体的设备之间的电弧放电之后，由脉冲发生器所产生的脉冲的电压从点火电压的高度被降低到由现有技术已知的燃烧电压。作为不仅能够提供点火电压脉冲而且能够提供燃烧电压的脉冲发生器，例如可以使用由DE 10 2008 047 198 A1已知的脉冲发生器。就此而言由DE 10 2008 047 198 A1已知的公开内容特此完全通过参考被包含。

然而正是在点火阶段中产生负面的影响的是，空心阴极和所属的电极具有相同的电压电位，在该点火阶段中在两个产生等离子体的设备之间还产生辉光放电并且两个空心阴极首先还必须被加热。在等离子体源的阴极阶段中，于是阴极电流不仅流经以阴极被连接的等离子体源的空心阴极，而且流经所属的电极。因此仅仅减少的加热电流可供空心阴极使用，由此空心阴极的加热被延迟。

因此已经证明为有利的是，在空心阴极和所属的电极之间连接限制电流方向的元件、诸如二极管。于是空心阴极和所属的电极在阳极阶段中具有相同的电压电位，而在阴极阶段中由于在该限制电流方向的元件上的电压降在空心阴极和所属的电极之间存在电压差，由此流经空心阴极的加热电流相对于没有限制电流方向的元件的实施方式被提高。

如先前已经提及的，为了点燃根据本发明的装置需要具有很高电压的点火脉冲。如果每个产生等离子体的设备被单独的电磁线圈包围，那么点火电压的高度可以被减小。这应该被理解为，电极和具有属于该电极的空心阴极的输出口的阴极管的至少一个端部范围被电磁线圈包围。优选地，这样的电磁线圈环状地被构造并且围绕空心阴极管旋转对称地被布置。

这样被构造的电磁线圈在辉光放电模式下引起等离子体阻抗的降低，由此脉冲的电压高度在点火阶段期间可以被减小。在此存在以下的关系：磁场强度越高，对于点火阶段中的脉冲所需的电压就越小。相反地适用：使用越高的电压，就可以越小地选择包围等离子体源的电磁线圈的磁场强度。为了电弧放电的可靠的点燃，在预先给定的最大的电压脉冲高度的情况下需要哪个磁场强度或在预先给定的最大的磁场强度的情况下需要哪个电压脉冲高度，依赖于相应的设备配置，然而可以利用简单的实验室试验来确定。

两个电磁线圈可以在其极性方面被布置，使得所述电磁线圈的磁力线在相同的方向上伸展。在该实施方式中在两个空心阴极之间的中心范围内形成具有很高强度的等离子体。特别是在点燃根据本发明的装置时，两个电磁线圈的磁场应该具有相同的方向，因为由此使装置的点燃容易。

在一种替代的实施方式中，两个电磁线圈在其极性方面被布置，使得所述电磁线圈的磁力线具有相反的方向。两个产生等离子体的设备的在该实施方式中叠加的磁场导致总磁场，该总磁场在空心阴极之间产生具有较大体积的等离子体，然而在此外始终不变的设备参数的情况下该等离子体具有比先前所描述的实施方式的等离子体更低的强度。

由DE 10 2006 027 853 A1已知基于空心阴极的等离子体源，在该等离子体源中在点燃电弧放电之后流经空心阴极的工作气体的流量一直被降低，直到等离子体强度的增加应被记录。根据本发明的装置也可以以该处理方式来运行，由此构造具有还要更高的强度的等离子体。就此而言由DE 10 2006 027 853 A1已知的公开内容特此完全通过参考被包含。

附图说明

随后借助实施例进一步阐述本发明。其中：

图1示出根据本发明的装置的示意图；

图2示出替代的根据本发明的装置的示意图；

图3示出另一个替代的根据本发明的装置的示意图；

图4示出用于利用集成的根据本发明的装置真空蒸镀衬底的设备的示意图。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了根据本发明的装置10。装置10包括两个产生等离子体的设备11和12，所述设备分别由空心阴极13、14和所属的电极15、16组成。两个电极15、16环状地被构造并且被布置在分别所属的空心阴极13、14的出口之前，使得空心阴极管和电极环的延长的轴线是相同的。在空心阴极13、14之后的箭头说明流动方向，工作气体在该流动方向上流过相应的空心阴极13、14的管。

在等离子体源11中，空心阴极13和电极15相互导电连接以及在等离子体源12中空心阴极14与所属的电极16导电连接。脉冲发生器17与两个空心阴极15、16电连接并且在两个等离子体源11、12之间产生具有10 kHz的频率的双极脉冲电压。

在装置10的点火阶段中，借助脉冲发生器17产生直至1800 V的电压脉冲。因此在两个等离子体源11和12之间首先形成辉光放电。在此流经空心阴极13和14的电流将空心阴极13、14加热直至电子发射温度，在该电子发射温度下辉光放电转变为电弧放电并且因此在等离子体源11和12之间构造空心阴极电弧放电等离子体。从该时间点起，由脉冲发生器17所产生的脉冲被降至大约60 V的燃烧电压。在此，电弧放电在等离子体源11以阴极被连接的阶段中基本上从空心阴极13燃烧到电极16。在等离子体源12以阴极被连接的阶段中电弧放电基本上从空心阴极14燃烧到电极15。由于在根据本发明的装置中电弧放电总是在一个等离子体源的空心阴极和相对的等离子体源的电极之间燃烧，相对的等离子体源的作为阳极被连接的电极引起来自等离子体的电子的后加速，这特别是在具有提高的环境压力（直至100 Pa）的应用情况下产生有利的影响，因为在高的压力下电子的平均自由行程强烈地缩短。

在图2中示意性地示出了一种替代的根据本发明的装置20。装置20包括两个产生等离子体的设备21和22，所述设备分别由空心阴极23、24和所属的电极25、26组成。两个电极25、26环状地被构造并且被固定在分别所属的空心阴极23、24的管上。空心阴极和所属的电极由此具有机械接触并且不需要附加的电接触。在空心阴极23、24之后的箭头在此也说明流动方向，工作气体在该流动方向上流过相应空心阴极23、24的管。

脉冲发生器27与两个空心阴极25、26连接并且在两个等离子体源21、22之间产生双极脉冲电压。用于点火并且维持两个等离子体源21、22之间的电弧放电的脉冲发生器27的参数和操作与图1中的脉冲发生器17的相应的参数是相同的。在该实施例中电弧放电也在一个等离子体源的空心阴极和另一个等离子体源的电极之间燃烧。

在图3中示意性地示出了根据本发明的装置30的另一种替代的实施方式。装置30除了技术上的细节之外与在图1中被示出的装置10相同。在图3中，两个产生等离子体的设备11和12附加地还分别包括二极管38或39，所述二极管被连接在相应的等离子体源的空心阴极和所属的电极之间。二极管38和39在等离子体源的阴极阶段中引起电压降并且因此引起，以阴极被连接的等离子体源的空心阴极和所属的电极具有不同的电位。因此提高流经空心阴极的阴极电流，由此阴极比在没有中间连接的二极管的情况下更好地借助电流流动来加热。这使得特别是通过装置30相对于在图1中被示出的装置10缩短的点火可被察觉到。

在图4中示出了在真空条件下工作的设备40，带状衬底41的一侧应该借助该设备被蒸镀。为此位于容器42中的材料被加热，使得该材料蒸发并且上升的材料蒸汽沉淀在衬底41的朝向该容器42的侧上。为了获得所期望的层特性，需要上升的材料蒸汽被高强度的等离子体穿过。为了产生该等离子体，根据本发明的装置被集成到该设备40中。

根据本发明的装置包括两个相同的、相对地被布置的产生等离子体的设备，所述设备分别具有空心阴极43、被布置在该空心阴极43之前的环形电极44和被连接在空心阴极43和电极44之间的二极管45作为组成部分。附加于先前在图1到图3中被示出的实施方式，还有电磁线圈46也属于在图4中被示出的等离子体源中的每个，该电磁线圈旋转对称地包围等离子体源的空心阴极43和所属的电极44。等离子体源的空心阴极43、电极44和电磁线圈46的延长的轴线因此是相同的。该轴线随后也被称为等离子体源的轴线。

两个电磁线圈46同向地被激励并且产生引导磁场47。该引导磁场随着与空心阴极43的距离增加而转变为散射磁场。场力线的上面的部分通向衬底41。两个在图4中相对地被示出的等离子体源的轴线相对于彼此具有一个角度。在此空心阴极43被校准，使得等离子体电子的定向的部分通过该引导磁场47部分地朝着衬底41被引导并且部分地在衬底41附近经过朝着相对的等离子体源的环形电极44被引导。定向的电子的射到衬底41上的部分在绝缘的表面上产生高的负的自偏压，该自偏压通过在等离子体边缘层中的加速赋予冷凝离子附加的能量。磁场的形状导致从封闭的场力线的范围朝着衬底41的场强梯度。该梯度同样引起来自等离子体的离子的加速，这导致在衬底41处的提高的离子流密度并且导致离子能量的进一步的增长。

在两个空心阴极43之间所连接的脉冲发生器48不仅产生用于在两个等离子体源之间点燃电弧放电的双极脉冲而且产生在燃烧电压的电压高度上的双极脉冲。如在根据本发明的装置的所有的实施方式中的脉冲发生器那样，利用脉冲发生器48，具有可变的占空比的不仅对称的而且非对称的双极脉冲也可以被应用。

根据本发明的装置的、包括空心阴极、被布置在该空心阴极之前的环形电极、被连接在空心阴极和环形电极之间的限制电流方向的元件和围绕空心阴极和环形电极旋转对称地被布置的电磁线圈的等离子体源的在图4中被示出的方式是一种优选的实施方式。该结构相对于在空心阴极和那里的阳极之间连接有直流电压源的现有技术在技术上可更简单地来实现并且通过省去直流电压源也必然调节更少的参数。此外，可以快速并且可靠地在该实施方式的等离子体源之间点燃电弧放电。此外，根据相对的电磁线圈的极性可以不仅产生高强度的关于体积集中的等离子体而且产生大体积的等离子体。

Claims (12)

1.用于产生空心阴极电弧放电等离子体的装置，由两个等离子体源（11；12）组成，所述等离子体源分别包括空心阴极（13；14）和属于所述空心阴极（13；14）的电极（15；16），所述电极具有穿过所述电极（15；16）延伸的开口，其中两个等离子体源（11；12）的空心阴极（13；14）被连接到脉冲发生器（17）上，所述脉冲发生器在两个空心阴极（13；14）之间产生双极中频脉冲电压，其特征在于，在两个等离子体源（11；12）中所述空心阴极（13；14）直接地或在中间连接至少一个限制电流方向的元件（38；39）的情况下与所属的电极（15；16）导电连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电极（15；16）被布置在所属的空心阴极（13；14）的出口之前。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空心阴极（23；24）的管穿过所属的电极（25；26）的开口伸出。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述空心阴极（23；24）具有与所述电极（25；26）的机械接触。

5.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述电极（15；16）环状地被构造。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述空心阴极（13；14）和环状的电极（15；16）的延长的轴线是相同的。

7.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，每个等离子体源具有单独的电磁线圈（46），所述电磁线圈包围所述空心阴极（43）和所属的电极（44）。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述电磁线圈（46）环状地被构造。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，环状的电磁线圈（46）和所述空心阴极（43）的管的延长的轴线是相同的。

10.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述双极中频脉冲电压具有1Hz到1MHz的范围内的频率。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述双极中频脉冲电压具有1kHz到100kHz的范围内的频率。

12.根据上述权利要求之一所述的装置，其特征在于，所述限制电流方向的元件是二极管。