CN105144338B - 等离子体源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种等离子体产生装置，包括：‑具有等离子体源空心体(1)和电子发射单元(5)的等离子体源，所述电子发射单元使得自由电子能够发射到等离子体源空心体之中，其中所述等离子体源空心体(1)具有第—气体入口(7a)和等离子体源开口(10)，所述等离子体源开口构成通向真空室的开口；‑以及具有阳极空心体(2)的阳极，其中所述阳极空心体(2)具有第二气体入口(7b)和阳极开口(11)，所述阳极开口构成通向真空室的开口；‑和电压源(8)，其负极与电子发射单元(5)相连并且其正极与阳极空心体(2)相连，其中所述电压源(8)的正极还通过第一分路电阻(6a)与等离子体源空心体电相连。

Description

等离子体源
技术领域
本发明涉及在例如用于等离子体蚀刻、加热、渗氮和利用 PE-CVD 工艺沉积层的真空涂层设备中用来产生等离子体的一种等离子体产生装置和产生等离子体的一种方法。
发明内容
本发明基于按照热电子发射原理并且在对加热后的发射极施加负电压之后（肖特基效应）或者按照空心阴极等离子体源的原理工作的等离子体源。按照本发明所述，使用有电气边界的空腔作为等离子体产生装置的阳极，该空腔例如外凸地安置在真空容器上。在关断等离子体之后通过快门机构将该空腔封闭，从而避免随后的工艺步骤引起污染。优选通过分路电阻保证等离子体源的接通。
现在将详细地并且根据附图示例性地解释本发明。
附图说明
图 1：包括等离子体源、空心阳极以及点火辅助装置的等离子体产生装置
图 2：蚀刻分布图：依据衬底位置的蚀刻速率
图 3a-3f：等离子体源和空心阳极的布置变型
图 4：等离子体源和空心阳极在具有更大载荷高度的设备中的布置
图 5：多个具有开关单元的阳极空心体
图 6a和6b：具有磁场产生装置的等离子体源空心体和阳极空心体
具体实施方式
图 1 所示为本发明所述例如在真空设备中涂层之前或涂层过程中用于处理工件的等离子体产生装置。图中所示的真空室 3 与通过绝缘体以电绝缘方式法兰安装在该真空室上的等离子体源空心体 1 是等离子体源的一部分。等离子体源还包括电子发射单元5，所述电子发射单元将被用作产生自由电子的装置。这些装置伸入到等离子体源空心体 1之中，从而在等离子体源空心体 1 中产生电子。例如将被加热到大约 2700-3000K 温度的钨丝就适合作为这样的电子发射单元 5。通过借助电压源 8 对电子发射单元 5 施加负电压，会使其变成电子发射器。通过气体入口 7a 将气体放入等离子体源空心体 1 之中。通过由电子发射单元 5产生的自由电子使得所述气体电离。例如氩气就适合作为气体。
通过等离子体源分路电阻（PSsR）将电压源 8 的正极与等离子体源空心体 1 电相连。当接通电压源的时候，电流就可以流过该分路电阻 6a，从而可以将能量馈入等离子体源空心体 1 中的等离子体之中。由此在等离子体源空心体 1 中形成的等离子体穿过等离子体源空心体 1 中设置的等离子体源开口 10 而延伸到真空室 3 的空间之中并且将该空间充满。
此外还将以下称作阳极空心体 2 的另一个空心体通过绝缘体 4以电绝缘方式法兰安装在真空室 3 上。真空室 3 和阳极空心体 2 通过阳极开口 11 相互连接。阳极空心体 2 直接与电压源 8 的正极电相连。在阳极空心体 2 中设置气体入口7b，通过该气体入口将气体放入到阳极空心体 2 之中。所述气体可以是例如氩气。
此外真空室 3 的壁还通过第二分路电阻 6b 与电压源 8 相连。由此使得放电电流现在也可以从电子发射单元 5 流向真空室壁。由于阳极空心体 2 直接与电压源 8 的正极相连，因此优选穿过阳极空心体 2 地导致放电并且在阳极空心体中建立等离子体。由此就会闭合适合大电流的路径，该路径能够在低电压下吸收很高的放电电流。当电压约为16V～100V 的时候，电流可能会高达几百安培。
如此产生的等离子体的特性非常强烈地取决于等离子体开口 10 和阳极开口11。沿着这些开口通过电位降导致电子加速，并且由于例如氩气的气体原子存在而导致所述气体原子非常强烈的电离，而且是在这些开口之前和这些开口之内。这些开口优选具有4mm ～ 30mm 之间的直径。优选直径约为 12mm。等离子体源与空心阳极之间的距离在 200～400mm 之间。开口与待处理的衬底之间的距离在 200～400mm 之间。
本示例中的其它典型运行参数为：
氩气的进气量： 50 - 200sccm进入等离子体源和/或空心阳极之中
放电电流： 200A
等离子体源放电电压： 16V - 30V
空心阳极放电电压： 16 - 100V
必须通过专业人士熟悉的相应措施引出等离子体源和空心阳极中使用的功率（图1 中没有绘出）。
利用上述等离子体产生装置可以执行稳定的等离子体方法。
尤其当可以利用挡板保护阳极免遭涂层的时候，使用本发明所述的等离子体产生装置就能省去否则在每次工艺开始之前所需的保养。对于蚀刻工艺打开阳极开口前面的挡板，从而可以在空心阳极中建立等离子体。然后对于可能随后进行的涂层工艺，例如电弧蒸镀或者溅射（sputter），可以利用快门关闭挡板。同理适用于朝向真空室的等离子体源的开口 10。
由于阳极本身有效地作为等离子体源运行，因此等离子体体积与现有技术相比有所提高。等离子体产生装置例如可有利地在等离子体蚀刻、等离子体加热和 PECVD 涂层中使用。
在等离子体加热时例如可以使用氩气和氢气，从而产生具有高反应活性并且例如适合于去除有机残留物的原子氢。
在 PE-CVD 涂层过程中例如可以使用氩气作为用于等离子体源和空心阳极的冲洗气体。如果在涂层过程中让例如 C2H2 和/或 CH4 或者另一种单体或聚合物的气体进入真空室之中，那么在使用负衬底电压的情况下就会在等离子体中沉积含有碳的层，例如DLC（类金刚石碳）层。如果相应设计等离子体源和空心阳极的开口 10、11，就会在那里出现超声流。这与高能量密度共同使得不会导致等离子体源和/或空心阳极的涂层。因此相应的内表面基本上保持不被涂层，并从而保持导电，这十分有利于工艺稳定性。
图 3 所示为本发明所述等离子体产生装置示出的等离子体源和空心阳极的布置变型。在此，箭头头部始终指向空心阳极，并且箭头尾部在等离子体源的附近。应按照图 1进行接线。图 3a 所示为在真空室侧壁上的简化法兰安装。图 3b、3c、3d 和 3f 所示为2个等离子体源和 2 个阳极的法兰安装，其中电流方向具有不同的空间取向。图 3e 所示为等离子体源法兰安装在真空室顶盖上以及空心阳极法兰安装在真空室底板上的示意图。在具有更大载荷高度的真空室的情况下，也可以将两个本发明所述的等离子体产生装置重叠布置。相应的在图 4中示意性示出。
本说明书中提及的分路电阻 6a 和 6b 有利地在含端点的10 Ohm ～ 100 Ohm之间，尤其优选在含端点的20 Ohm ～ 50 Ohm 之间。
可能有利的是，仅仅使用在阳极体上产生的等离子体。据此在本发明的另一种优选实施方式中，通过至少一个等离子体源空心体以同时或者顺序或者重叠地接通开关单元12 的开关的方式电控制多个阳极空心体。图 5 所示就是这种情况，为了简单起见，这里没有绘出用来触发放电的装置。
按照本发明的另一种实施方式，可以通过使用磁场来提高阳极上的放电电压。从而导致阳极空心体的入口孔上产生的离子和与此相关的高能粒子加速。同样可以在等离子体源空心体上使用磁场。
图 6a 和 6b 所示为具有磁场产生装置 13a 和 13b 的等离子体源空心体和阳极空心体。
等离子体源空心体的磁场引导电子并由此引导离子进入真空容器之中，而阳极空心体上的磁场则引起电子偏转并由此引起阳极前的电压降的提高（霍尔效应）。该电位又使得电离化气体原子加速并且赋予这些气体原子更高的能量。
附图标记清单
1 等离子体源空心体
2 阳极空心体
3 真空容器
4 绝缘体
5 电子发射单元（例如灯丝和馈电装置）
6a 等离子体源分路电阻
6b 阳极分路电阻
7a 等离子体源气体入口
7b 阳极气体入口
8 电压源
9a 阳极开口前的挡板
9p 等离子体源开口前的挡板
10 等离子体源的开口
11 阳极的开口
12 开关单元
13a 磁场产生装置
13b 磁场产生装置

Claims (6)

1.等离子体产生装置，包括
-具有等离子体源空心体（1）和电子发射单元（5）的等离子体源，所述电子发射单元使得自由电子能够发射到所述等离子体源空心体之中，其中所述等离子体源空心体（1）具有第一气体入口（7a）和等离子体源开口（10），所述等离子体源开口构成通向真空室的开口，
-以及具有阳极空心体（2）的阳极，其中所述阳极空心体（2）具有第二气体入口（7b）和阳极开口（11），所述阳极开口构成通向所述真空室的开口，
-和电压源（8），所述电压源的负极与所述电子发射单元（5）相连并且所述电压源的正极与所述阳极空心体（2）相连，
其特征在于，所述电压源（8）的所述正极还通过第一分路电阻（6a）与所述等离子体源空心体电相连。
2.根据权利要求 1 所述的等离子体产生装置，其特征在于，所述电压源（8）的所述正极通过第二分路电阻（6b）与所述真空室电相连。
3.根据权利要求 1 或 2 中任一项所述的等离子体产生装置，其特征在于，在所述等离子体源开口（10）的前面设置挡板（9p），利用该挡板能够在需要时关闭所述等离子体源开口。
4.根据权利要求 1至2 中任一项所述的等离子体产生装置，其特征在于，在所述阳极开口（11）的前面设置挡板（9a），利用该挡板能够在需要时关闭所述阳极开口（11）。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的等离子体产生装置，其特征在于，所述等离子体源开口和/或所述阳极开口被设计为，使得能够在运行时通过一个开口和/或这些开口建立超声流。
6.利用 PE-CVD 对衬底进行涂层的方法，其中将单体和/或聚合物气体放入到包括等离子体产生装置的真空室之中，利用所述等离子体产生装置在所述真空室中建立等离子体，并且对待涂层的所述衬底施加负电压，其特征在于，所述等离子体产生装置是根据权利要求 5 所述的等离子体产生装置，并且不会通过该等离子体产生装置对所述等离子体源空心体的内腔进行涂层，也不会对所述阳极空心体的内腔进行涂层。
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