CN108699691B - 提取和加速离子的空心阴极离子源及方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种提取和加速离子的离子源和方法。离子源包括腔室。离子源进一步包括第一空心阴极，其具有第一空心阴极腔和第一等离子体出口孔；以及第二空心阴极，其具有第二空心阴极腔和第二等离子体出口孔。第一空心阴极和第二空心阴极邻近地设置在腔室中。离子源进一步包括第一离子加速器，其在第一等离子体出口孔与腔室之间并与第一等离子体出口孔和腔室连通。第一离子加速器形成第一离子加速腔。离子源进一步包括第二离子加速器，其在第二等离子体出口孔与腔室之间并与第二等离子体出口孔和腔室连通。第二离子加速器形成第二离子加速腔。第一空心阴极和第二空心阴极被配置为交替地充当电极和反电极以生成等离子体。

Description

提取和加速离子的空心阴极离子源及方法
背景技术
离子源通常用于各种应用，包括以加热、清洁、表面蚀刻和化学改变表面形式的基板处理。离子源可用于沉积氧化物、类金刚石碳以及其它有用的涂层。离子源可用于支持真空沉积工艺和改变薄膜生长。例如，离子源可用于使沉积原子致密、结晶或进行化学反应。实际上，所有离子源都被设计为在真空腔室的减压下操作。一些离子源可充当用于航天器加速的低推力、长时间运行的发动机。
在离子源最基本的形式中，离子源通常由等离子体形成组件和附加组件组成，用于从该等离子体提取和加速离子。除了由等离子体形成组件产生的场之外，这些附加组件通常在等离子体气体内产生电场或磁场。这些附加场对离子施加吸引力或排斥力并导致离子加速。附加组件还增加了整个离子源的复杂性。
等离子体中的大多数离子带正电荷。也就是说，它们是电离的原子或分子，通常缺少一个或两个电子。当这些离子从等离子体中加速时，所产生的离子束通常携带比负粒子(例如电子)更多的带正电粒子。这种电不平衡可能会产生真空硬件或工艺的问题。为了校正这些情况，通常添加诸如热灯丝热离子电子发射器或空心阴极电子源之类的附加电子源设备，以将电荷平衡电子注入离子束。这些电子源通常称为中和器。与其它附加组件一样，使用中和器会增加整个离子源的复杂性。
用于离子源的等离子体形成组件的一个示例是空心阴极。空心阴极包括线性空心阴极和点空心阴极。线性空心阴极不常用于离子源；点空心阴极偶尔用于充当推进器的离子源(例如用于航天器加速)，但这种点等离子体源通常不用于涂覆基板(例如，用于PECVD涂覆工艺)。当使用空心阴极时，与大多数离子源类似，从空心阴极等离子体中提取离子需要附接附加的组件，例如单独供电的电极和磁体。这些组件通常会给离子源增加显著程度的机械和工艺复杂性。此外，当使用空心阴极作为等离子体形成组件时，已知的离子源依赖于专用的阳极结构或单独的阳极孔，导致进一步的复杂性。
离子源的另一问题是在介电沉积工艺期间，介电涂层可能积聚在阳极结构上。另外，当离子源用于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺时，已知PECVD工艺污染附近的包括阴极或阳极表面的真空腔室硬件(例如，污染可能来自于这些工艺中使用的前驱气体与阴极或阳极表面的反应)。
因此，需要一种克服已知离子源的这些和其它缺点的离子源。
发明内容
以下共同转让的申请描述了诸如可以用于本发明实施例的各种空心阴极等离子体源：美国申请No.12/535,447，现为美国专利No.8,652,586；美国申请No.14/148,612；美国申请No.14/148,606；美国申请No.14/486,726；美国申请No.14/486,779；PCT/US14/068919；以及PCT/US14/68858。这些申请中的每个通过引用以其整体并入本文。
另外，2015年11月16日提交的题为“Plasma Device Driven by Multiple-PhaseAlternating or Pulsed Electrical Current(由多相交流电或脉冲电流驱动的等离子体装置)”的共同转让的美国申请No.14/942,737和2015年11月16日提交的题为“Method ofProducing Plasma by Multiple-Phase Alternating or Pulsed Electrical Current(多相交变或脉冲电流产生等离子体的方法)”的美国申请No.14/942,673通过引用以其整体并入本文。
本发明的实施例包括极其简单的基于空心阴极的离子源。本发明的实施例可以产生高能离子束，而不需要任何附加电极、加速栅极、磁场、中和器或其它附加组件来提取和加速离子。本发明的实施例还可以保护阴极和阳极表面免受污染。
根据本发明的第一方面，提供了一种离子源。离子源包括腔室。离子源进一步包括第一空心阴极，其具有第一空心阴极腔和第一等离子体出口孔；以及第二空心阴极，其具有第二空心阴极腔和第二等离子体出口孔。第一空心阴极和第二空心阴极邻近地设置在腔室中。离子源进一步包括第一离子加速器，其在第一等离子体出口孔和腔室之间并与第一等离子体出口孔和腔室连通。第一离子加速器形成第一离子加速腔。离子源进一步包括第二离子加速器，其在第二等离子体出口孔和腔室之间并与第二等离子体出口孔和腔室连通。第二离子加速器形成第二离子加速腔。第一空心阴极和第二空心阴极被配置为交替地充当电极和反电极以生成等离子体。第一离子加速腔和第二离子加速腔中的每个足以使得能够提取和加速离子。
根据本发明的第二方面，提供了一种提取和加速离子的方法。该方法包括提供离子源，例如根据本发明第一方面的离子源。该方法进一步包括使用第一空心阴极和第二空心阴极来生成等离子体。第一空心阴极和第二空心阴极被配置为交替地充当电极和反电极。该方法进一步包括提取和加速离子。第一离子加速腔和第二离子加速腔中的每个足以使得能够提取和加速离子。
在一些实施例中(根据本发明的方面中的任意方面)，来自第一离子加速腔和第二离子加速腔中的至少一个的提取和加速的离子形成以下中的一个：单个窄束、单个大面积束、单束阵列、以及连续线性束幕。在一些实施例中，来自第一离子加速腔和第二离子加速腔中的至少一个的提取和加速的离子形成准直离子束。
在一些实施例中，第一空心阴极和第一离子加速器处于第一相同的电势差，并且第二空心阴极和第二离子加速器处于第二相同的电势差。在一些实施例中，第一空心阴极和第一离子加速器相对于等离子体的电势处于相同的第一极性，并且第二空心阴极和第二离子加速器相对于等离子体的电势处于相同的第二极性。
在一些实施例中，第一离子加速器包括第一空心阴极的部分，和/或第二离子加速器包括第二空心阴极的部分。在一些实施例中，第一离子加速腔包括第一离子加速器中的槽，和/或第二离子加速腔包括第二离子加速器中的槽。在一些实施例中，第一离子加速器和第一空心阴极彼此电绝缘，和/或第二离子加速器和第二空心阴极彼此电绝缘。在一些实施例中，第一离子加速器的电势和第二离子加速器的电势中的至少一个在以相对于等离子体电势而言负与正之间以一频率进行切换。在一些实施例中，第一离子加速器电连接到第一空心阴极的外部，和/或第二离子加速器电连接到第二空心阴极的外部。在一些实施例中，第一离子加速器电连接到第一空心阴极的内部，和/或第二离子加速器电连接到第二空心阴极的内部。
在一些实施例中，第一离子加速腔和第二离子加速腔中的至少一个是以下形状中的一个：扩孔、矩形槽、半圆形、锥形、倒锥形以及钟形。
在一些实施例中，第一离子加速器和第二离子加速器中的至少一个的内表面是电子发射和电子接受的。在一些实施例中，第一空心阴极、第一离子加速器、第二空心阴极以及第二离子加速器中的至少一个的外表面是电绝缘的。在一些实施例中，外表面通过聚合物和非导电陶瓷中的至少一个而电绝缘。在一些实施例中，外表面通过暗区屏蔽(shield)而电绝缘。
在一些实施例中，腔室包括真空腔室。在一些实施例中，第一等离子体出口孔限制第一空心阴极与腔室之间的气体流动，和/或第二等离子体出口孔限制第二空心阴极与腔室之间的气体流动。在一些实施例中，第一离子加速腔和第二离子加速腔中的至少一个包括细长腔。在一些实施例中，第一等离子体出口孔和第二等离子体出口孔中的至少一个包括等离子体出口喷嘴。在一些实施例中，第一等离子体出口孔和第二等离子体出口孔中的至少一个包括多个等离子体出口喷嘴。在一些实施例中，第一等离子体出口孔和第二等离子体出口孔中的至少一个包括线性槽。
在一些实施例中，第一离子加速腔部分地围绕从第一等离子体出口孔出来的气体，和/或第二离子加速腔部分地围绕从第二等离子体出口孔出来的气体。在一些实施例中，提取和加速的离子的平均能量小于100eV。在一些实施例中，提取和加速的离子的平均能量大于100eV。
在一些实施例中，离子源进一步包括电源，其被配置为为第一空心阴极、第一离子加速器、第二空心阴极以及第二离子加速器中的至少一个供电。
在一些实施例中，电源在200V至1000V之间的均方根交流电压下工作。在一些实施例中，电源在20V至200V之间的均方根交流电压下工作。
在一些实施例中，第一空心阴极和第二空心阴极被配置成使得充当正电极的空心阴极比腔室的壁被更多正向地(more postively)偏置。在一些实施例中，第一离子加速器和第二离子加速器被配置成使得第一离子加速器和第二离子加速器与相对应的所述第一空心阴极和所述第二空心阴极相比，在相应的离子加速器和空心阴极的循环的正向部分期间被更多正向地偏置。在一些实施例中，第一离子加速器和第二离子加速器被配置成使得第一离子加速器和第二离子加速器与相对应的所述第一空心阴极和所述第二空心阴极相比，在相应的离子加速器和空心阴极的循环的正向部分期间被更少正向地(lesspostively)偏置。在一些实施例中，仅有的电活性表面基本上由第一空心阴极和第二空心阴极中的每个的内壁以及第一离子加速器和第二离子加速器中的每个的内壁组成。在一些实施例中，第一空心阴极和第二空心阴极在电极与反电极之间交替的频率为1kHz至1MHz。
在一些实施例中，第一离子加速腔和第二离子加速腔中的至少一个成角度以将离子轰击分配到公用线。在一些实施例中，等离子体是自中和的。在一些实施例中，离子源不存在任何霍尔电流。在一些实施例中，离子源不存在任何加速栅极。在一些实施例中，离子源的长度为约0.1m至约4m，并且在离子源的长度上具有均匀的等离子体和离子发射。
在一些实施例中，第一离子加速腔和第二离子加速腔足以使得能够提取和加速离子而不使用附加组件来从该等离子体提取和加速离子。
附图说明
并入本文并形成说明书部分的附图示出了本公开内容的各种实施例，并且与说明书一起进一步用于解释本公开内容的原理并使本领域技术人员能够制造并使用本文公开的实施例。在附图中，相似的附图标记表示相同或功能相似的元件。
图1A示出了具有喷嘴阵列作为等离子体出口区域的已知空心阴极等离子体源。
图1B示出了具有线性槽作为等离子体出口区域的已知空心阴极等离子体源。
图1C示出了具有单个孔作为等离子体出口区域的已知空心阴极等离子体源。
图2A示出了根据本发明示例性实施例的具有喷嘴阵列作为等离子体出口区域的空心阴极离子源。
图2B示出了根据本发明示例性实施例的具有线性槽作为等离子体出口区域的空心阴极离子源。
图2C示出了根据本发明示例性实施例的具有单个孔作为等离子体出口区域的空心阴极离子源。
图3A示出了根据本发明示例性实施例的替代离子加速腔形状。
图3B示出了根据本发明示例性实施例的替代离子加速腔形状。
图3C示出了根据本发明示例性实施例的替代离子加速腔形状。
图3D示出了根据本发明示例性实施例的替代离子加速腔形状。
图4A示出了根据本发明示例性实施例的具有形成在空心阴极体中的离子加速腔的离子加速单元。
图4B示出了根据本发明示例性实施例的具有与空心阴极体电分离的离子加速腔的离子加速单元。
图5示出了根据本发明示例性实施例的提取和加速离子的方法。
图6示出了根据本发明示例性实施例的涂层-基板组合。
图7是显示了根据本发明示例性实施例的运行24小时后的离子源的照片。
图8是显示了根据本发明示例性实施例的玻璃基板上的离子蚀刻图案的照片。
图9A是显示了由已知空心阴极等离子体源形成的等离子体的照片。
图9B是显示了根据本发明示例性实施例的由离子源形成的等离子体的照片。
具体实施方式
图1A、图1B和图1C示出了已知空心阴极等离子体源100A、100B、100C。如图1A所示，空心阴极等离子体源100A包括第一线性空心阴极102和第二线性空心阴极104，每个线性空心阴极连接到电源116。每个线性空心阴极102、104包括内部空心阴极腔112和气体入口114，该气体入口114用于允许等离子体形成气体进入空心阴极腔112。另外，空心阴极102、104包括等离子体出口区域。如图1A所示，等离子体出口区域由从空心阴极腔112通向容纳空心阴极的处理腔室的孔或喷嘴110A的阵列组成。如图1B所示，等离子体出口区域由空心阴极体中的单个槽110B组成。图1C示出了管状或圆柱形点空心阴极等离子体源，包括管状空心阴极102C、104C，每个管状空心阴极具有空心阴极腔112C和气体入口114C，类似于图1A和图1B的线性空心阴极等离子体源的腔和气体入口。如图1C所示，等离子体出口区域由单个孔110C组成。图1C中所示的等离子体源是点源，其产生近似0维的等离子体“点”，而图1A和图1B的线性等离子体源产生近似1维的等离子体“线”。本领域技术人员将认识到，所得到的等离子体在数学上不是0维或1维的，并且这些术语仅仅是用于描述由等离子体源生成的等离子体的近似。
电源116电连接到每个空心阴极并包括交流电源。电源116使两个空心阴极相对于彼此具有相反的极性。当该极性切换时，每个空心阴极将交替地充当阴极和阳极。如本领域所公知的，并且如本发明人先前的申请中所公开的(例如，上文通过引用并入的申请)，双极电源初始地将第一电子发射表面驱动到负电压，允许等离子体形成，同时第二电子发射表面被驱动到正电压，以便充当电压施加电路的阳极。然后，将第一电子发射表面驱动到正电压并反转阴极和阳极的角色。当电子发射表面中的一个被驱动为负时，在相对应的腔内形成放电。然后另一阴极形成阳极，使电子电流从阴极空心阴极流到阳极空心阴极。
注意，在附图中，仅出于说明的目的，空心阴极腔显示为未封闭或开放。在实践中，空心阴极腔由空心阴极体包围，并且唯一的开口来自气体入口和等离子体出口区域。
图1A和图1B中所示的线性空心阴极等离子体源100A和100B通常分别不用于离子源。图1C中所示的点空心阴极等离子体源偶尔用于充当推进器的离子源(例如用于航天器加速)，但是这种点等离子体源通常不用于涂覆基板(例如，用于PECVD涂覆工艺)。
图2A、图2B和图2C分别示出了根据本发明示例性实施例的空心阴极离子源200A、200B和200C。如图2A所示，空心阴极离子源200A包括第一离子加速单元202和第二离子加速单元204，每个离子加速单元连接到电源116。每个离子加速单元202、204包括空心阴极体212、内部空心阴极腔112以及气体入口114，该气体入口114用于允许等离子体形成气体进入空心阴极腔112。另外，离子加速单元202、204包括等离子体出口区域。如图2A所示，等离子体出口区域由从空心阴极腔112引出的孔(或喷嘴)110A的阵列组成。而在空心阴极等离子体源100A中，等离子体出口区域从空心阴极腔通向容纳空心阴极的处理腔室；在离子源200A中，由孔110A的阵列组成的等离子体出口区域从空心阴极腔112通向离子加速腔220。如图2B所示，等离子体出口区域由通向离子加速腔220的空心阴极体中的单个槽110B组成。图2C示出了离子加速单元202C、204C，每个离子加速单元具有管状空心阴极体212C、空心阴极腔112C以及气体入口114C。如图2C所示，等离子体出口区域由通向离子加速腔220C的单个孔110C组成。
现在参考图2A，空心阴极离子源200A包括容纳离子加速单元202、204的腔室210。在一些实施例中，腔室210是真空腔室。
随着空心阴极的电压或极性相对于等离子体电势而变化，这产生加速离子的电排斥力。在正脉冲期间，正离子被排斥并从腔中加速。在负脉冲期间，负离子被加速。已知等离子体活性氧产生负离子，由于每个空心阴极作为阳极和阴极的交替功能，所以这使得该离子源的实施例可用于加速惰性或氧反应气体的离子束。空心阴极等离子体源本身与离子加速腔结合，产生必要的排斥力以提取和加速离子，而不需要附加的组件和单独的电场或磁场。另外，因为现有离子源的组件可能与氧气发生不利的反应，所以大多数现有的离子源不能与氧气一起良好地工作。
虽然等离子体是气相材料，但其具有高导电性。由于这种导电性，等离子体可以带有电荷或电压偏压。由本发明实施例的空心阴极形成的等离子体是非平衡、非热等离子体，其通常承载从地电势到几十伏(通常不超过30V)的正电荷。
空心阴极体和离子加速腔还应在功能上相对于等离子体电势处于相同的电势或至少相同的极性。因此，第一离子加速单元的空心阴极体和相对应的离子加速腔应该处于第一相同的电势或极性，并且第二离子加速单元的空心阴极体和相对应的离子加速腔应该处于第二相同的电势或极性。本发明实施例的简单部分在于不需要附加的电源或具有单独极性的电极来加速离子。在一些实施例中，空心阴极腔壁和离子加速腔壁都电连接到一个电源。
由于空心阴极体和离子加速腔从负极到正极交替，所以它们交替地在充当电子发射器与电子收集器之间切换。在空心阴极之间建立电子电流。将电子发射和收集表面限制在设备的特定区域是有利的。虽然不是必需的，但是当电子发射和收集发生在空心阴极等离子体腔壁、离子加速腔壁以及等离子体出口孔壁上时，并且当孔导电时，公开的实施例的离子源能最佳地工作。
根据一些实施例，提取和加速的离子的平均能量或者替代地中值能量大于100eV。在其它实施例中，平均能量或中值能量小于100eV。例如，使用在大约500V下工作的“冷”空心阴极等离子体源，离子源能够蚀刻，这表示离子能量超过100eV并且高达如1500eV。使用“热”空心阴极等离子体源，离子束没有足够的能量进行蚀刻，这表示离子能量小于100eV并且大约为10eV。这种产生各种各样离子能量的能力是有利的。特别是，使用常规离子源技术难以设计能量大约为10eV的离子源。这对于线性离子源尤其如此。
应当理解，离子加速单元202、202C、204、204C中的每个能够通过提取和加速离子来形成离子束。因此，在一些实施例中，存在由离子源形成的至少两个不同的离子束。
如本领域技术人员通过本公开内容所理解的，电源116可以是常规的双极(两相)电源。电源116还可以是多相电源，并且可以电连接到两个以上的离子加速单元。例如，如美国申请No.14/942,737和14/942,673中所述，离子源200A、200B、200C(或由本公开内容实现的任意其它离子源)可包括至少三个离子加速单元，每个离子加速单元包括空心阴极体，这些空心阴极体由至少三个相位偏移波供电。
根据本文公开的示例性实施例，空心阴极必须彼此足够接近以允许电子电流在相反极性的空心阴极之间流动。在一些实施例中，该邻近距离可以为大约5mm到500mm。如图2A、图2B和图2C所示，空心阴极体212、212C具有细长的设计。在一些实施例中，这些空心阴极的长度可为约50mm至约10米，并且在一些实施例中，长度可甚至大于10米。在一些实施例中，空心阴极体是直的，但空心阴极体还可以是圆形或回旋形状。例如，在一些实施例中，空心阴极体的圆形和同心布置可以产生单个大面积离子束。
本领域技术人员还将理解，虽然离子加速单元202、202C、204、204C显示为矩形或管状，但是根据本发明的实施例，离子加速单元和这些离子加速单元内形成的腔(例如空心阴极腔)可以包括其它形状。空心阴极腔宽度(或直径)可以是(例如)约8mm至约100mm。在某些实施例中，腔室内的工作压力可为约0.1毫托(0.013帕斯卡)至约100毫托(13帕斯卡)，或更通常为约1.0毫托(0.13帕斯卡)至约50毫托(6.7帕斯卡)。一般的腔室压力通常小于空心阴极腔内的压力。可以理解，可以控制腔内的等离子体气压，使得腔宽度(或直径)与腔内的等离子体气压成反比。
用于空心阴极体(包括腔壁)的结构材料必须是足够导电的，使得电子可以从腔壁表面发射，并且腔壁可以承载必要的电流以维持放电。腔壁结构材料的示例包括金属、金属合金、金属化合物、碳、碳化合物、导电陶瓷和/或半导体。通常使用的材料是金属、金属合金和/或以石墨形式的碳。在一些情况下，可以针对所需的电子发射属性来选择腔壁材料。腔壁可以包括具有低功函数或高二次电子发射系数的材料，其允许较低的工作电压和增加的电子电流。在一些情况下，这些专用材料可包括金属或碳基底上的内腔壁涂层(例如碳化钨涂层，用于减少溅射)。本发明的实施例对于各种各样的腔壁材料都是有效的。
在一些实施例中，空心阴极腔的宽度或直径为约8mm至约100mm。等离子体出口区域的宽度或直径可为约1mm至约20mm，或约2mm至约15mm。在一些实施例中，离子加速腔比等离子体出口区域更宽(或具有更大的直径)。在一些实施例中，离子加速腔的宽度或直径为约2mm至25mm，或约3mm至20mm。在一些实施例中，离子加速腔可以是矩形槽(例如，如图2A和图2B所示)或圆形槽(例如，如图2C所示)。然而，如所理解的，其它形状是可能的。例如，图3A-图3D示出了根据本发明示例性实施例的替代离子加速腔形状。如图3A-图3D所示，离子加速单元300包括离子加速腔302、304、306、308。离子加速腔可以包括圆柱形腔(302)阵列(如图3A所示)、钟形离子加速腔(304)(如图3B所示)、或者加宽的锥形离子加速腔(306)(如图3C所示)或变窄的锥形离子加速腔(308)(如图3D所示)。在一些实施例中，离子加速腔可以是扩孔、矩形槽、半圆形、锥形、倒锥形以及钟形的形式。可以理解，离子加速腔的形状和配置影响离子加速单元产生的离子束。
图4A示出了根据本发明示例性实施例的离子加速单元400A。离子加速单元400A可以充当离子源(例如离子源200A、200B、200C)的部分。离子加速单元400A包括空心阴极体422、气体入口114、空心阴极腔112、等离子体出口区域110A以及离子加速腔220。离子加速单元400A进一步包括覆盖所有外部导电部分的电绝缘壳402。在一些实施例中，暴露于等离子体的唯一导电表面是空心阴极腔、等离子体出口孔以及离子加速腔的内部。在一些实施例中，绝缘壳402可包括非导电材料的覆盖物，例如陶瓷、聚合物或其它介电材料。绝缘壳402还可包括暗区屏蔽。如图4A所示，形成离子加速腔220的离子加速器420是空心阴极体422的部分。
图4B示出了根据本发明示例性实施例的离子加速单元400B。离子加速单元400B可以充当离子源(例如离子源200A、200B、200C)的部分。在这样的离子源中，离子加速单元400B可以与附加离子加速单元400B、离子加速单元400A或根据本发明实施例的其它离子加速单元组合使用。离子加速单元400B包括空心阴极体422、气体入口(未示出)、腔112、等离子体出口区域416以及离子加速腔220。在图4B所示的设计中，空心阴极体和离子加速体是单独的组件。绝缘壁418包围空心阴极体，而绝缘壁410、412包围离子加速体。绝缘壁412位于离子加速体与空心阴极体之间，并包括开口414，其用于允许等离子体出口区域与离子加速腔连通。在一些实施例中，绝缘材料410、412、418可以包括非导电材料的覆盖物，例如陶瓷、聚合物或其它介电材料。绝缘材料410、412、418还可以包括暗区屏蔽。如图4B所示，形成离子加速腔220的离子加速器420通过绝缘壳412与空心阴极体422分离。
如本领域中已知的，暗区屏蔽是指等离子体源周围的具有狭窄空间(约5mm或更小)的区域，在该区域中，在低压下物理上不可能形成等离子体。如本领域中已知的，暗区屏蔽取决于气体成分、压力以及电压。
现在参考图4A和图4B，在本发明的一些实施例中，离子加速腔可以是空心阴极体的主要部分，或者可以是与空心阴极体分离的组件。例如，在图4A中，离子加速腔可以作为槽切入空心阴极体材料中。这有效地迫使离子加速体和空心阴极体具有相同的电势和极性。如图4B所示，离子加速腔可以与主空心阴极体电绝缘。例如，在图4B中，离子加速器可以由与主空心阴极体不同的材料制成。在这种布置中，根据本发明的一些实施例，需要维持空心阴极腔壁与离子加速腔壁之间的电极性关系。
在一些实施例中，对第一离子加速器和第二离子加速器进行配置，使得第一离子加速器和第二离子加速器在相应离子加速器和空心阴极体的循环的正向部分期间比相对应的第一空心阴极体和第二空心阴极体更多正向(或更少正向)地偏置。特别是当离子加速器420和空心阴极体422电绝缘时(例如，如图4B所示)，每个离子加速器可以被配置为比相对应的空心阴极体更多正向(或更少正向)地偏置，而相对应的空心阴极体充当阳极(即，在循环的正向部分期间)。这可以在仍维持空心阴极体与离子加速器之间必要的电极性关系的同时完成。通过以这种方式管理离子加速器与空心阴极体之间的相对电压，可以控制所产生的离子加速。
图5示出了根据本发明示例性实施例的方法。方法500包括提供离子源，例如离子源200A(步骤502)。离子源200A包括腔室210。在一些实施例中，腔室210是真空腔室。离子源200A进一步包括第一离子加速单元202，其具有第一空心阴极体212、第一空心阴极腔112、以及第一等离子体出口孔110A；以及第二离子加速单元204，其具有第二空心阴极体212、第二空心阴极腔112以及第二等离子体出口孔110A，第一空心阴极体和第二空心阴极体邻近地设置在腔室210中。离子源200A进一步包括第一离子加速器(例如图4中的元件420)，其在第一等离子体出口孔110A与腔室210之间并与第一等离子体出口孔110A和腔室210连通。第一离子加速器420形成第一离子加速腔220。离子源200A进一步包括第二离子加速器(例如图4中的元件420)，其在第二等离子体出口孔110A与腔室210之间并与第二等离子体出口孔110A和腔室210连通。第二离子加速器420形成第二离子加速腔220。第一空心阴极体和第二空心阴极体交替地充当电极和反电极(例如，交替地充当阴极和阳极)以生成等离子体。第一细长离子加速腔和第二细长离子加速腔中的每个足以实现对离子的提取和加速，而不需要任何附加电极、加速栅极、磁场、中和器或其它附加组件。方法500进一步包括使用第一空心阴极体和第二空心阴极体来生成等离子体(步骤504)。方法500进一步包括提取和加速离子(步骤506)。可选地，方法500可包括提供基板(步骤508)并使用提取和加速的离子在基板上沉积涂层(步骤510)或使用提取和加速的离子处理基板(步骤512)。如所理解的，在一些实施例中，提取和加速的离子被提取并加速远离离子加速腔。在一些实施例中，提取和加速的离子进一步被提取并加速朝向基板。
图6示出了涂层-基板组合600，包括涂层602和基板604。根据本发明实施例的离子源可用于在基板604上沉积涂层602，或者替代地，用于处理已经沉积的涂层602。例如，根据本发明实施例的离子源可用于处理或蚀刻玻璃基板，沉积涂层或致密化涂层。
影响电子电流的一个因素是空心阴极腔壁的温度。在腔壁温度低于约1000℃的空心阴极结构中，电子发射主要受二次电子发射的主导。尽管在高于约750℃的温度下可能存在热离子发射，但二次电子发射仍占主导地位，直到约1000℃。当腔壁被离子轰击时，碰撞离子动能以及负电压电势诱导电子从壁表面发射。通常，这些“冷”空心阴极的腔壁温度为约50℃至约500℃。通常，为了在这些温度下维持空心阴极结构，应用冷却方法。通常，水冷却通道内置于空心阴极结构中。冷空心阴极放电的工作电压通常为约300伏至约1000伏。
替代地，空心阴极可以以热离子模式运行。为了发生热离子电子发射，空心阴极腔壁温度通常范围在约750℃至约2000℃。热离子空心阴极可以在腔壁周围包含加热器以帮助升高温度，或者更简单地，可以依靠等离子体能量传输来加热腔壁。通常，热腔是绝热的，以减少传导或辐射热损失。热离子空心阴极放电的工作电压通常为约10伏至约300伏或更通常为约10伏至约100伏。
与大多数常规离子源不同，所公开实施例的离子源与温度范围或任意电子发射模式兼容。
为了促进空心阴极内的等离子体生成，在空心阴极腔内引入等离子体形成气体。该气体通过与空心阴极腔内的自由振荡电子的碰撞而被电离。通常，在封闭的空心阴极腔中，等离子体气体通过气体入口管或孔引入腔空间。几乎任何气相材料都可充当等离子体形成气体。充当等离子体形成气体的最常见气体包括He、Ne、Ar、Kr、Xe、O2、N2以及H2。与许多限于惰性气体的离子源不同，通常所公开实施例的离子源从任意电离气体(包括惰性或非惰性气体)形成离子束。高温空心阴极腔材料可能会出现一些气体限制。例如，1000℃以上的空心阴极腔壁材料可以与一些电离气体(例如氧气)发生化学反应。如果这种反应导致腔壁上的电绝缘涂层生长，则可以抑制电子发射。气体或材料选择的另一考虑因素是空心阴极腔的侵蚀或烧毁。
用于本文公开的点源实施例的典型等离子体形成气体流量可以是约1标准立方厘米每分钟(或sccm)至约100sccm。对于本文公开的线性实施例，在一些实施例中，等离子体形成气体流量可以是约0.5sccm至约10sccm每线性毫米腔长度。更典型的线性气体流量可以是约1sccm至约5sccm每毫米。这些值是指腔室中的每个离子加速单元上总计的总气体流量。可以理解，总气体流量可能受到用于维持腔室内压力的真空泵的能力的限制。
在本发明的一些实施例中，等离子体出口孔壁可包括与空心阴极体或腔壁相同的导电材料，例如金属或碳。等离子体出口孔壁还可以包括其它硬质或耐热材料，例如碳化钨。这些等离子体出口孔不一定必须是导电的，并且可以包括陶瓷介电材料，例如陶瓷插件。
等离子体出口孔的典型直径或等离子体出口槽的宽度可以为约0.5mm至约8mm。最常用的尺寸为约1mm至约6mm。在等离子体出口孔的情况下，间距可以在约1.5mm至约50mm的中心至中心距离之间大幅变化。根据本发明的实施例，相邻孔之间的间距可以是均匀的或不规则的。作为非限制性示例，可以从示例性离子源建立均匀的离子束幕，其中等离子体出口孔之间的间距为约5mm至约30mm。
在本发明的实施例中，由第一离子加速腔和第二离子加速腔中的至少一个形成的离子束可以被配置为单个窄束、单个大面积束、单束阵列、或者连续线性离子束幕。在一些实施例中，离子束可以至少部分地准直。例如，离子加速腔的设计将影响所产生的离子束的类型。可以理解，第一离子加速腔和第二离子加速腔中的每个可以形成离子束，并且由每个离子加速腔形成的离子束可以被配置为与由其它离子加速腔形成的离子束相同或不同。
如上所述，当常规的离子源与PECVD涂覆工艺结合使用时，已知这些工艺污染和涂覆所有附近的真空腔室硬件，包括阴极或阳极表面。然而，在本发明的实施例中，保护空心阴极腔壁和离子加速腔壁免受这种污染问题。例如，这两个表面都至少部分地封闭并与空心阴极外部的气体隔离。这两个表面还都倾向于通过流过它们的等离子体形成气体的流动来保持清洁和导电。也就是说，等离子体气体倾向于扫除潜在的污染气体，例如PECVD工艺中使用的前驱体。
图7是显示了根据本发明示例性实施例的运行24小时后的离子源的照片700。具体地，离子源包括空心阴极702，其具有喷嘴阵列作为等离子体出口区域704和离子加速腔706。图7中的白色区域是来自离子加速腔壁上的非导电二氧化钛(TiO2)的累积。这种污染会对离子源产生负面影响。如所示的，图7中的离子源包括喷嘴阵列作为等离子体出口区域。在空心阴极的表面上存在充当绝缘壳的暗区屏蔽。
图8是显示了根据本发明示例性实施例的玻璃基板792上的离子蚀刻图案的照片800。彩色条纹是玻璃基板上约0.3μm厚的氧化钛涂层。蚀刻区域804在玻璃基板802中深约250μm。基板上的等离子体和离子束曝光时间大约为24小时。在蚀刻工艺期间，不发生对基板或等离子体生成硬件的充电。
图9A是显示了由已知空心阴极等离子体源形成的等离子体902的照片。空心阴极等离子体源包括六个喷嘴作为等离子体出口区域并且不包括离子加速腔。图9A中所示的等离子体源与图1A所示的等离子体源类似。
图9B是显示了根据本发明示例性实施例的由离子源形成的等离子体904的照片。这里的双极空心阴极离子源包括十二个喷嘴作为等离子体出口区域和10mm深及4.8mm宽的离子加速腔。可以看出，等离子体中较亮的条纹表示从源向下加速到基板的离子束。
空心阴极和多相功率输入的许多其它组合是可能的，其中特定布置被设计成适合特定应用，如本领域技术人员根据本公开内容理解的。
虽然上面已经描述了各种实施例，但是应该理解，这些实施例仅以示例而非限制的方式呈现。因此，本公开内容的广度和范围不应受上述示例性实施例中任意实施例的限制。此外，除非本文另有说明或者上下文明显矛盾，否则本公开内容涵盖其所有可能变型中的上述元件的任意组合。
另外，虽然上面描述的和附图中示出的过程被示为一系列步骤，但这仅仅是为了说明而进行的。因此，预期可以添加一些步骤，可以省略一些步骤，可以重新布置步骤的顺序，并且可以并行地执行一些步骤。

Claims (71)

1.一种离子源，包括：
腔室；
第一空心阴极，其具有第一空心阴极腔和第一等离子体出口孔；以及第二空心阴极，其具有第二空心阴极腔和第二等离子体出口孔，所述第一空心阴极和所述第二空心阴极邻近地设置在所述腔室中；
第一离子加速器，其在所述第一等离子体出口孔与所述腔室之间并与所述第一等离子体出口孔和所述腔室连通，其中，所述第一离子加速器形成第一离子加速腔；以及
第二离子加速器，其在所述第二等离子体出口孔与所述腔室之间并与所述第二等离子体出口孔和所述腔室连通，其中，所述第二离子加速器形成第二离子加速腔；
其中，所述第一空心阴极和所述第二空心阴极被配置为交替地充当电极和反电极以生成等离子体，并且
其中，所述第一离子加速腔和所述第二离子加速腔中的每个足以使得能够在不存在磁场的情况下提取和加速离子，并且其中，所述第一离子加速腔为第一空心阴极体的组成部分，和/或所述第二离子加速腔为第二空心阴极体的组成部分。
2.根据权利要求1所述的离子源，其中，从所述第一离子加速腔和所述第二离子加速腔中的至少一个中提取和加速的所述离子形成以下中的一个：单个窄束、单个大面积束、单束阵列、以及连续线性束幕。
3.根据权利要求1所述的离子源，其中，从所述第一离子加速腔和所述第二离子加速腔中的至少一个中提取和加速的所述离子形成准直离子束。
4.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述第一空心阴极和所述第一离子加速器处于相同的第一电势差，并且所述第二空心阴极和所述第二离子加速器处于相同的第二电势差。
5.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述第一空心阴极和所述第一离子加速器相对于所述等离子体的电势处于相同的第一极性，并且所述第二空心阴极和所述第二离子加速器相对于所述等离子体的所述电势处于相同的第二极性。
6.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述第一离子加速腔包括所述第一离子加速器中的槽，和/或所述第二离子加速腔包括所述第二离子加速器中的槽。
7.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述第一离子加速器的所述电势和所述第二离子加速器的所述电势中的至少一个相对于所述等离子体的所述电势在负与正之间以一频率进行切换。
8.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述第一离子加速器电连接到所述第一空心阴极的内部，和/或所述第二离子加速器电连接到所述第二空心阴极的内部。
9.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述第一离子加速腔和所述第二离子加速腔中的至少一个是以下中的一个的形式：扩孔、矩形槽、半圆形、锥形、倒锥形以及钟形。
10.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述第一离子加速器和所述第二离子加速器中的至少一个的内表面是电子发射和电子接受的。
11.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述第一空心阴极、所述第一离子加速器、所述第二空心阴极以及所述第二离子加速器中的至少一个的外表面被电绝缘。
12.根据权利要求11所述的离子源，其中，所述外表面通过聚合物和非导电陶瓷中的至少一个被电绝缘。
13.根据权利要求11所述的离子源，其中，所述外表面通过暗区屏蔽被电绝缘。
14.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述腔室包括真空腔室。
15.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述第一等离子体出口孔限制所述第一空心阴极与所述腔室之间的气体流动，和/或所述第二等离子体出口孔限制所述第二空心阴极与所述腔室之间的气体流动。
16.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述第一离子加速腔和所述第二离子加速腔中的至少一个包括细长腔。
17.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述第一等离子体出口孔和所述第二等离子体出口孔中的至少一个包括等离子体出口喷嘴。
18.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述第一等离子体出口孔和所述第二等离子体出口孔中的至少一个包括多个等离子体出口喷嘴。
19.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述第一等离子体出口孔和所述第二等离子体出口孔中的至少一个包括线性槽。
20.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述第一离子加速腔部分地围绕从所述第一等离子体出口孔出来的气体，和/或所述第二离子加速腔部分地围绕从所述第二等离子体出口孔出来的气体。
21.根据权利要求1所述的离子源，其中，提取和加速的所述离子的平均能量小于100eV。
22.根据权利要求1所述的离子源，其中，提取和加速的所述离子的平均能量大于100eV。
23.根据权利要求1所述的离子源，进一步包括电源，其被配置为为所述第一空心阴极、所述第一离子加速器、所述第二空心阴极以及所述第二离子加速器中的至少一个供电。
24.根据权利要求23所述的离子源，其中，所述电源在200V至1000V之间的均方根交流电压下工作。
25.根据权利要求23所述的离子源，其中，所述电源在20V至200V之间的均方根交流电压下工作。
26.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述第一空心阴极和所述第二空心阴极被配置成使得用作为正电极的所述空心阴极比所述腔室的壁被更多正向地偏置。
27.根据权利要求1所述的离子源，其中，仅有的电活性表面由所述第一空心阴极和所述第二空心阴极中的每个的内壁以及所述第一离子加速器和所述第二离子加速器中的每个的内壁组成。
28.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述第一空心阴极和所述第二空心阴极在电极与反电极之间交替的频率为从1kHz至1MHz。
29.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述第一离子加速腔和所述第二离子加速腔中的至少一个成角度以将离子轰击分配到公用线。
30.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述等离子体是自中和的。
31.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述离子源不存在任何霍尔电流。
32.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述离子源不存在任何加速栅极。
33.根据权利要求1所述的离子源，其中，所述离子源的长度为0.1m至4m，并且在所述离子源的所述长度上具有均匀的等离子体和离子发射。
34.一种提取和加速离子的方法，包括：
（i）提供离子源，包括：
腔室；
第一空心阴极，其具有第一空心阴极腔和第一等离子体出口孔；以及第二空心阴极，其具有第二空心阴极腔和第二等离子体出口孔，所述第一空心阴极和所述第二空心阴极邻近地设置在所述腔室中；
第一离子加速器，其在所述第一等离子体出口孔与所述腔室之间并与所述第一等离子体出口孔和所述腔室连通，其中，所述第一离子加速器形成第一离子加速腔；以及
第二离子加速器，其在所述第二等离子体出口孔与所述腔室之间并与所述第二等离子体出口孔和所述腔室连通，其中，所述第二离子加速器形成第二离子加速腔；
（ii）使用所述第一空心阴极和所述第二空心阴极来生成等离子体，其中，所述第一空心阴极和所述第二空心阴极被配置为交替地充当电极和反电极；并且
（iii）提取和加速离子；其中，所述第一离子加速腔和所述第二离子加速腔中的每个足以使得能够在不存在磁场的情况下提取和加速离子，并且其中，所述第一离子加速腔为第一空心阴极体的组成部分，和/或所述第二离子加速腔为第二空心阴极体的组成部分。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，从所述第一离子加速腔和所述第二离子加速腔中的至少一个中提取和加速的所述离子形成以下中的一个：单个窄束、单个大面积束、单束阵列、以及连续线性束幕。
36.根据权利要求34所述的方法，其中，从所述第一离子加速腔和所述第二离子加速腔中的至少一个中提取和加速的所述离子形成准直离子束。
37.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第一空心阴极和所述第一离子加速器处于相同的第一电势差，并且所述第二空心阴极和所述第二离子加速器处于相同的第二电势差。
38.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第一空心阴极和所述第一离子加速器相对于所述等离子体的电势处于相同的第一极性，并且所述第二空心阴极和所述第二离子加速器相对于所述等离子体的所述电势处于相同的第二极性。
39.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第一离子加速腔包括所述第一离子加速器中的槽，和/或所述第二离子加速腔包括所述第二离子加速器中的槽。
40.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第一离子加速器的所述电势和所述第二离子加速器的所述电势中的至少一个相对于所述等离子体的所述电势在负与正之间以一频率进行切换。
41.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第一离子加速器电连接到所述第一空心阴极的内部，和/或所述第二离子加速器电连接到所述第二空心阴极的内部。
42.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第一离子加速腔和所述第二离子加速腔中的至少一个是以下中的一个的形式：扩孔、矩形槽、半圆形、锥形、倒锥形以及钟形。
43.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第一离子加速器和所述第二离子加速器中的至少一个的内表面是电子发射和电子接受的。
44.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第一空心阴极、所述第一离子加速器、所述第二空心阴极以及所述第二离子加速器中的至少一个的外表面被电绝缘。
45.根据权利要求44所述的方法，其中，所述外表面通过聚合物和非导电陶瓷中的至少一个被电绝缘。
46.根据权利要求44所述的方法，其中，所述外表面通过暗区屏蔽被电绝缘。
47.根据权利要求34所述的方法，其中，所述腔室包括真空腔室。
48.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第一等离子体出口孔限制所述第一空心阴极与所述腔室之间的气体流动，和/或所述第二等离子体出口孔限制所述第二空心阴极与所述腔室之间的气体流动。
49.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第一离子加速腔和所述第二离子加速腔中的至少一个包括细长腔。
50.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第一等离子体出口孔和所述第二等离子体出口孔中的至少一个包括等离子体出口喷嘴。
51.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第一等离子体出口孔和所述第二等离子体出口孔中的至少一个包括多个等离子体出口喷嘴。
52.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第一等离子体出口孔和所述第二等离子体出口孔中的至少一个包括线性槽。
53.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第一离子加速腔部分地围绕从所述第一等离子体出口孔出来的气体，和/或所述第二离子加速腔部分地围绕从所述第二等离子体出口孔出来的气体。
54.根据权利要求34所述的方法，其中，提取和加速的所述离子的平均能量小于100eV。
55.根据权利要求34所述的方法，其中，提取和加速的所述离子的平均能量大于100eV。
56.根据权利要求34所述的方法，其中，所述离子源进一步包括电源，其被配置为为所述第一空心阴极、所述第一离子加速器、所述第二空心阴极以及所述第二离子加速器中的至少一个供电。
57.根据权利要求56所述的方法，其中，所述电源在200V至1000V之间的均方根交流电压下工作。
58.根据权利要求56所述的方法，其中，所述电源在20V至200V之间的均方根交流电压下工作。
59.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第一空心阴极和所述第二空心阴极被配置成使得用作为正电极的所述空心阴极比所述腔室的壁被更多正向地偏置。
60.根据权利要求34所述的方法，其中，仅有的电活性表面由所述第一空心阴极和所述第二空心阴极中的每个的内壁以及所述第一离子加速器和所述第二离子加速器中的每个的内壁组成。
61.根据权利要求34的方法，其中，所述第一空心阴极和所述第二空心阴极在电极与反电极之间交替的频率为从1kHz至1MHz。
62.根据权利要求34所述的方法，其中，所述第一离子加速腔和所述第二离子加速腔中的至少一个成角度以将离子轰击分配到公用线。
63.根据权利要求34所述的方法，其中，所述等离子体是自中和的。
64.根据权利要求34所述的方法，其中，所述离子源不存在任何霍尔电流。
65.根据权利要求34所述的方法，其中，所述离子源不存在任何加速栅极。
66.根据权利要求34所述的方法，其中，所述离子源的长度为0.1m至4m，并且在所述离子源的所述长度上具有均匀的等离子体和离子发射。
67.根据权利要求34所述的方法，进一步包括将等离子体形成气体引入所述第一空心阴极腔和所述第二空心阴极腔中的至少一个，其中，对于引入等离子体形成气体的每个空心阴极，在所述空心阴极腔、所述等离子体出口区域、所述离子加速腔以及所述腔室之间按压力梯度降低的顺序形成压力梯度。
68.根据权利要求34所述的方法，进一步包括使用提取和加速的所述离子来沉积涂层。
69.根据权利要求68所述的方法，其中，沉积产生更致密的涂层。
70.根据权利要求34所述的方法，进一步包括使用提取或加速的所述离子来处理基板。
71.根据权利要求70所述的方法，其中，处理所述基板包括以下中的至少一个：加热、清洁、表面蚀刻以及化学改变表面。
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