CN110998781A - 具有分段空心阴极的线性等离子体源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生成线性等离子体的电极分段的电极对。更具体地，本发明涉及一种等离子体源，例如，空心阴极等离子体源，其包括一个或多个等离子体生成电极对，其中，电极是分段的。本发明进一步涉及用于控制线性等离子体的均匀度的方法，并且还涉及用于利用线性等离子体源以均匀的方式对基板进行表面处理或涂覆的方法。

Description

具有分段空心阴极的线性等离子体源
技术领域
本发明总体上涉及一种用于生成线性等离子体的电极对，其中，电极是分段的。更具体地，本发明涉及一种等离子体源，例如，空心阴极等离子体源，其包括一个或多个等离子体生成电极对，其中，电极是分段的。本发明进一步涉及用于控制线性等离子体的均匀度的方法，并且还涉及用于利用线性等离子体源以均匀的方式对基板进行表面处理或涂覆的方法。
背景技术
现有技术中披露了用于表面的薄膜沉积和化学改性、或表面处理的各种等离子体源。
然而，线性等离子体可能比点等离子体源具有更多的实际应用的潜力。线性等离子体源创建通常垂直于要处理的基板的移动方向放置的等离子体帘。可以使线性等离子体在大基板表面积(即，大于1m2)上工作，这对大面积的玻璃涂覆、纺织品涂覆和多部件批量涂覆是有用的。许多已知的PECVD装置用于小规模沉积(即，小于1m2的基板)，因为大多数等离子体源非常短，并且只能涂覆小面积。
当要处理大型基板时，更合适的等离子体源通常是如Madocks在U.S.7411352中披露的线性离子源。该等离子体源基于磁控管放电，并且产生离子帘，或者通过组合若干源来产生指向基板表面的多个平行的离子帘。Madocks披露了出于涂覆目的可以在等离子体源外部提供涂层前体。等离子体基本上仅沿一维，即，等离子体源的长度延伸。该等离子体源依赖于闭路电子漂移来创建均匀的等离子体，因此构建起来相当复杂。此外，该等离子体源使得磁体必然承受过热而造成的损坏。
Jung在EP 0727508 A1中披露了基于两个平行电极的空心阴极线性等离子体源。等离子体基本上仅沿一维，即，等离子体源的长度延伸，从而形成窄等离子体帘。
Maschwitz的US申请号2010/0028238 A1披露了改进的等离子体源。该改进的等离子体源是一种不依赖于闭路电子漂移来创建均匀的等离子体的空心阴极线性等离子体源，并且因此构建起来没那么复杂。Maschwitz等离子体源包括经由AC电源相互连接的至少两个电子发射表面或者空心阴极，其中，AC电源向这两个电子发射表面供应变化的或者交变的双极性电压。更具体地，该至少两个电子发射表面经由AC电源相互连接，使得AC电源向这两个电子发射表面施加双极性电压差。双极性电力供应最初驱动第一电子发射表面至负电压，从而允许等离子体的形成，同时驱动第二电子发射表面至正电压，以将其用作电压施加电路的阳极。然后，交流电力驱动第一电子发射表面至正电压，并且颠倒阴极和阳极的作用。随着电子发射表面之一被驱动至负，相应的腔内形成放电。然后，另一电极作为阳极，致使电子避开等离子体并且行进至阳极侧，从而完成电路。这些基于空心阴极的线性等离子体源在可以在长度上跨越2m、3m或甚至4m的长度上提供均匀等离子体帘。因此，这些线性等离子体源特别适合用于处理例如比如玻璃等大面积的基板。
针对细长的线性等离子体源中的比如上文中所列举的特别是在长度上达到2m、3m或甚至4m的均匀等离子体帘的条件是，均匀加工的电子发射表面。然而，将所需的结构均匀地加工成在长度上达到大于2m、3m或甚至4m的单件是非常困难且昂贵的。
针对此类细长的线性等离子体源中的均匀等离子体帘的另一个条件是，等离子体形成气体的均匀分布，并且对于涂覆过程，还有前体气体的均匀分布。通常通过在线性等离子体源的长度上提供若干气体入口以及等离子腔室的设计良好的气体出口来获得这种均匀气体分布，该气体出口常常采用缝隙或成排喷嘴的形式，其流动限制有助于等离子体和气体的均匀分布。然而，气体入口和气体出口的位置和尺寸是固定的，并且在不停止等离子体涂覆或表面处理过程的情况下无法修改。
针对此类细长的线性等离子体源中的均匀等离子体帘的另一个条件是，在等离子体源的长度上的温度控制。然而，在这种达到超过2m、3m或甚至4m的长度的等离子体源中生成的热的量使得在没有显著温差的情况下难以进行冷却，从而使装备发生应变并且可能影响等离子体过程。
工业PECVD过程可以连续运行数十小时或甚至几天。在这样的生产运行过程中，涂层可能由于各种原因而变得不均匀。等离子体源的出口例如可能通过分解前体分子而被堵塞，或者其可能由于等离子体物质对喷嘴材料的攻击而拓宽。在此类情况下，可以通过控制不同入口点处的气体流速来对气流进行一些调整，但是，这些调整是有限的并且可能是不充分的。
因此，在本领域中仍然需要避免了较早开发的PECVD源的均匀度问题的在长度上达到超过2m、3m或甚至4m的改进的空心阴极线性PECVD源。特别地，在本领域中需要易于制造、可以被均匀地冷却的在长度上达到超过2m、3m或甚至4m的线性空心阴极等离子体源，并且其中，可以在延长的生产运行中，在大型基板(例如玻璃)的宽度上动态地控制等离子体密度、并且因而控制涂层的均匀度(例如，涂层的厚度或组成)或表面处理的均匀度，而无需停止生产。
发明内容
先前提到的线性等离子体源、特别是空心阴极等离子体源，利用在等离子体源的长度上的气流分布控制来控制涂层或表面处理的均匀度。本发明通过提供对等离子体密度分布以及在等离子体源的长度上的温度控制，对先前的线性等离子体源设计、特别是空心阴极等离子体源设计进行改进。
在本发明中，提供了一种线性空心阴极等离子体源，其中，将在其之间形成等离子体的第一平行线性电极和第二平行线性电极被分为成对的电极分段，并且其中，可以针对每个电极分段对单独地控制等离子体密度，并且其中，可以单独地冷却每个分段。
附图说明
图1示出了现有技术的等离子体源，该等离子体源包含非-分段电极对。
图2示出了均等分段电极对。
图3示出了另一均等分段电极对。
具体实施方式
虽然本发明可以许多不同的形式实施，但本文中描述多个说明性实施例，应当理解，本披露被认为是提供本发明的原则的示例，并且这些示例并不旨在将本发明限制为本文中描述和/或说明的优选实施例。充分详细地披露了各种实施例以使本领域技术人员能够实施本发明。应当理解，在不脱离本发明的精神或者范围的情况下，可以采用其他实施方式，并且可以进行结构和逻辑上的改变。
如本文中所提及的，“等离子体”是指包括自由电子和正离子两者的导电的气态介质。传统上，在薄膜涂覆过程中已经使用了惰性气体(例如，氩气、氦气、氪气、氖气、氙气)的高强度等离子体。然而，薄膜涂层的复杂性和多样性的增加已经引起对包括比如氧气和氮气等一种或多种活性等离子体形成气体的高强度等离子体的需求。可以替代性地使用氢气或氨气来形成等离子体。
“前体气体”是指包含一种化学元素或者多种化学元素的待被冷凝成固体涂层的分子形式的气体。来自前体气体的待被冷凝的元素可以包括金属、过渡金属、硼、碳、硅、锗和/或硒。前体气体的选择通常受若干考虑因素支配，这些考虑因素包括室温下的稳定性、在反应区中进行干净反应的能力和在低温下足够的挥发性，使得前体气体可以易于被运输到反应区而不会在管线中冷凝。前体分子在过程压力和温度下不会冷凝。实际上，前体分子是非反应物或者不倾向于附着在表面上，直到被能源激励、部分分解或者完全分解，因此包含期望的用于涂覆的化学元素的前体气体的化学片段能够通过化学方法以固体形式粘合到表面上或者冷凝在表面上。前体化合物的冷凝部分可以主要是纯元素、元素的混合物、由前体化合物组分获得的化合物或者化合物的混合物。也可以使用两种或更多种前体气体的混合物。
常常期望的是，将可能不能通过化学方法单独从前体气体中获取的化合物沉积到表面上。因此，比如氧气和氮气等“反应气体”可以被添加到CVD过程中以形成氧化物或者氮化物。其他反应气体包括氟、氯、其他卤素、一氧化氮、氨和氢。反应气体可以通过以下事实与前体气体区别开：即使当被激励或者通过化学方法分解时，也不会形成可冷凝的分子实体。通常，反应气体或者反应气体片段本身不能产生固体沉积物，但是它们可以发生反应并且通过化学方法结合到由前体气体或者其他固定沉积源得到的固体沉积物中。在许多情况下，等离子体气体用作反应气体，并且等离子体气体分子的化学片段通过化学方法结合到沉积薄膜中。在其他情况下，反应气体可以与等离子体气体分开提供，并且在等离子体气体之外另外地提供。
“化学气相沉积”或“CVD”是指由于气相中的化学反应而引起在基板上沉积薄膜。在等离子体增强化学气相沉积或PECVD中，通常通过在减压下向等离子体形成气体供应电力来通过化学方法活化等离子体形成气体。施加足够高的电压会使等离子体形成气体被击穿，并且出现由电子、离子和电激发物质组成的等离子体。等离子体中的高能电子与等离子体形成气体反应形成反应物质(species)，这些反应物质用于进行表面处理或分解前体气体分子，使得可以形成涂层。
“暗区”是指围绕电极的窄区或者面积，其中等离子体电流非常低。通常，被暗区距离间隔开的两个反向充电的等离子体电极、或者一个等离子体电极与地电势导体将展现出在其之间基本上无电流。
“空心阴极”是指通常由限定腔的电子发射表面组成的电极。空心阴极腔可以被形成为许多种形状。在本发明中，空心阴极腔具有细长的形状、具有优选地恒定的截面，该截面可以是矩形的、圆角矩形(即，具有圆角或边缘的矩形)的、圆形的、长方形的、椭圆形的或卵形的。空心阴极通常包括一个或多个用于等离子体和/或反应气体的入口和一个或多个等离子体出口。等离子体出口例如可以被成形为沿着空心阴极的基本上面向要处理的基板的长度的狭缝或孔阵列。用于等离子体和/或反应气体的入口优选地位于沿着空心阴极的基本上与等离子体出口相对的长度。空心阴极可以连接到交流电源，使得电极的极性在正(阳极)与负(阴极)之间交替。当空心阴极的电子发射表面具有负电势时，电子在腔中振荡，并且因而被限制在腔中。
“空心阴极等离子体源”是指包括被配置用于产生空心阴极放电的一个或多个电极的等离子体源或离子源。空心阴极等离子体源的一个示例在Maschwitz共同拥有的U.S.专利号8,652,586(“Maschwitz'586”)中进行了描述，该专利通过援引以其全文并入本文。图1示出了类似于Maschwitz'586中披露的现有技术的空心阴极等离子体源。等离子体源包括平行安排并且经由AC电源(未示出)连接的至少两个空心阴极电极1a和1b。电绝缘材料9被布置在空心阴极电极周围。等离子体形成气体经由入口5a和5b供应。在使用时，前体气体经由前体气体入口6被供应，并被引导通过歧管7和电极之间的暗区中的前体注入缝隙8进入等离子体帘3。AC电源向这两个电极供应变化的或交变的双极性电压。AC电力供应最初驱动第一电极至负电压，从而允许等离子体的形成，同时驱动第二电极至正电压，以将其用作电压施加电路的阳极。然后，该AC电力供应驱动第一电极至正电压，并且颠倒阴极和阳极的作用。随着这些电极之一被驱动至负1a，相应的腔内形成放电2a。然后，另一电极形成阳极，致使电子通过出口10避开等离子体并且行进至阳极侧，从而完成电路。因此，在基板4上方第一电极与第二电极之间的区域中形成等离子体帘3。该利用AC电力驱动空心阴极的方法有助于形成均匀的线性等离子体。为了本专利的目的，电子发射表面也可以称为等离子体生成表面。
“基板”是指待涂覆的或者通过本发明以物理方法和/或化学方法修改其表面的小面积或者大面积物品。本文中所提及的基板可以由玻璃、塑料、金属、无机材料、有机材料或具有待涂覆或修改的表面的任何其他材料组成。
“闭路电子漂移”是指由交叉的电场和磁场所引起的电子电流。在许多常规的等离子体形成设备中，闭路电子漂移形成了封闭的环流路径或者电子流的“跑道”。
“AC电力”是指来自交流电源的电力，其中，电压以某一频率按正弦曲线、方波、脉冲或者其它波形方式变化。电压变化常常是从负到正(即，相对于地)。当在双极性形式中，由两根导线递送的功率输出通常相位相差约180°。
“电极”在等离子体生成期间，例如，在电极连接到提供电压的电力供应时，提供自由电子。空心阴极的电子发射表面组合起来被认为是一个电极。电极可以由本领域技术人员公知的材料制成，比如钢、不锈钢、铜或铝。然而，对于每个等离子体增强的过程，必须仔细选择这些材料，因为在操作期间不同的气体可能需要使用不同的电极材料来激发和维持等离子体。也可以通过为电极提供涂层来改善电极性能和/或耐久性。
“薄膜”或“薄膜涂层”或“薄膜堆叠”指的是沉积在基板上的一个或多个显微薄层。薄膜涂层被结合到许多现代设备(比如，低发射率(“低E”)窗、半导体芯片、光伏设备、机床和汽车部件)中，以最大限度地提高其性能和使用寿命。
“表面改性”或“表面处理”是指在基板上进行的一个或多个过程，这些过程包括热处理、涂覆层热退火、表面清洁、表面化学功能化、涂覆层的晶体结构改性、离子轰击和离子注入。
所披露的实施例满足了特别是在包含用于涂覆大型玻璃基板的细长的空心阴极的系统中，对沉积的涂层的厚度进行有效控制的需求。
在本发明的一个或多个方面中，提供了电极对，该电极对包括第一均等分段电极和第二均等分段电极，其中，第一均等分段电极和第二均等分段电极
a.具有用于电子发射和等离子体生成以及稳定性的期望的形态和组成，
b.沿着纵向方向是细长的，
c.具有基本上完全相同的细长的形状和大小并且彼此相邻，其中，所述均等分段电极的纵向方向彼此平行，
d.各自垂直于其长度被分为相同数量的至少两个分段，其中，
i.所述第一电极的每个分段面向所述第二电极的相等大小的分段，并且
ii.所述第一电极的每个分段与其面向的所述第二电极的分段形成一对电极分段。
图2示出了根据本发明的电极对，该电极对具有第一电极(21)和第二电极(22)。第一电极和第二电极被均等地分为多个分段(21A，21B，21C和22A，22B，22C)。分别面向的分段(21A和22A；21B和22B；21C和22C)的大小相等，即，在截面和长度方面具有相同的大小。这些分别面向的分段各自形成一对电极分段(A2，B2，C2)。第一均等分段电极和第二均等分段电极的形态使得其分别包围分开的第一腔和第二腔。每个腔的三个侧面被相应的电极包围。可以在每个腔内产生等离子体。第一均等分段电极和第二均等分段电极被配置成相邻且并排地跨越平面基板，其中，每个分段电极保持距平面基板相同的距离。为了本披露的目的，以此方式分段的第一电极和第二电极被称为第一均等分段电极和第二均等分段电极。第一均等分段电极和第二均等分段电极还设置有用于等离子体形成气体、并且可选地用于反应气体的分开的第一入口和第二入口。这些入口未在本图中示出。第一电极和第二电极由电子发射材料组成。电绝缘材料被布置在第一电极和第二电极周围，并且限制等离子体行进至电极的外部到达环境中(未示出)。
发明人发现，这种包括如上文中所描述的第一均等分段电极和第二均等分段电极的电极对更易于加工和组装，并且该分段和所产生的非连续电子发射表面出人意料地不会在任何值得注意的程度上对包括这些分段的电极空心阴极等离子体源的等离子体(即使是在长度上达到大于2m、3m或甚至4m的线性等离子体)形成产生影响。
第一均等分段电极和第二均等分段电极彼此相邻，其中，所述均等分段电极的纵向方向彼此平行。第一均等分段电极和第二均等分段电极的位置被配置成距待表面处理或涂覆的平面基板等距地放置。这两个均等分段电极生成的等离子体用于对所述平面基板表面进行表面处理或涂覆。换句话说，本发明的电极对是用于对平面基板进行表面处理或涂覆的电极对，该电极对包括被配置成距所述平面基板等距地定位的第一均等分段电极和第二均等分段电极。第一分段电极和第二分段电极以等距的方式跨越平面基板，即，平面基板与第一分段电极之间的距离同基板与第二分段电极之间的距离相同。
特别地，第一均等分段电极和第二均等分段电极的形态使得其分别包围分开的第一腔和第二腔。此外，这两个均等分段电极可以分别设置有用于等离子体形成气体的分开的第一气体入口和第二气体入口，并且分别设置有分开的第一气体出口和第二气体出口，这两个气体出口例如可以分别通往可以指向基板的第一出口喷嘴和第二出口喷嘴。第一腔和第二腔的截面可以具有矩形形状、圆角矩形形状或圆形形状，或者具有这些形状的中间形状，并且第一腔和第二腔的截面面积可以包括在500mm2到4000mm2之间，并且腔距离(即，第一气体出口与第二气体出口之间或第一出口喷嘴与第二出口喷嘴之间的最短距离)可以包括在85mm到160mm之间。第一出口喷嘴宽度和第二出口喷嘴宽度可以包括在1mm到25mm之间。
在另一实施例中，均等分段电极中的一个或多个电极分段包括两个电极子分段，使得这些电极分段可以被纵向地分成两半。发明人发现，这进一步简化了制造和维护，同时仍然允许形成在长度上达到超过2m、3m或甚至4m的线性等离子体。
均等分段电极可以有益于任何类型的等离子体源。最优选地，第一均等分段电极和第二均等分段电极具有用于在每个电极分段所包围的空间内生成空心阴极等离子体的期望的形态和组成。等离子体是通过在每个电极分段所包围的空间内发生的电子振荡生成的，而二次电子电流流经等离子体气体出口，遍布将每对电极分段的出口分隔开的气体空间。因此，等离子体帘在第一分段电极与第二分段电极之间延伸。
电极分段大小的主要参数是其横截面(特别是其横截面的形状和尺寸)、以及其长度(特别是其所包围的体积的长度)。相等大小的分段具有基本相同的截面和相同的长度。分段的数量及其长度由第一电极和第二电极的总长度以及涂层沉积的均匀度要求、表面处理的均匀度要求和/或冷却的均匀度要求来确定。针对在长度上达到大于2m、3m或甚至4m的均匀的线性等离子体，每个电极被分为至少两个、优选地至少三个、更优选地至少四个、最优选地至少五个分段。
根据本发明的实施例，电极分段的横截面面积包括在100mm2到10000mm2之间、优选地在500mm2到4000mm2之间。
根据本发明的实施例，电极分段的横截面具有矩形形状、圆角矩形形状或圆形形状，或者是这些形状的中间形状。
可以组合不同的分段和电连接，以便每个特定过程的相关区域中实现等离子体均匀度控制。
根据本发明，第一电极和第二电极可以各自垂直于其长度被分为相同数量的分段，第一电极的每个分段面向第二电极的相等大小的分段，从而形成一对电极分段，其中，所有对电极分段的大小都相同。这进一步简化了电极制造过程。
根据本发明，第一电极和第二电极可以分别垂直于其长度被分为相同数量的分段，第一电极的每个分段面向第二电极的相同大小的分段，从而形成一对电极分段，其中，至少一对电极分段的大小与至少另一对电极分段的大小不同。优选地，具有不同大小的两对电极分段基本上仅在长度上不同，而在截面上基本上相同。以此方式，可以使分段的大小适配需要独立的等离子体控制的区域。
根据本发明的实施例，电绝缘材料被设置在至少两对电极分段的相邻分段之间，使得至少一对电极分段中的电极分段不与相邻成对的电极分段中的电极分段直接电接触。根据本发明的更优选实施例，电绝缘材料被设置在第一均等分段电极和第二均等分段电极的所有电极分段之间，使得相邻电极分段都不与彼此直接电接触。电绝缘材料防止电流在相邻分段之间穿其而过流动，并且优选地被配置成不延伸到每个电极所包围的空间中，以防止干扰等离子体和/或气体流。
在本发明的另一实施例中另一实施例中，暗区被设置在至少两对电极分段中的相邻分段之间，使得至少一对电极分段中的电极分段不与相邻成对的电极分段中的电极分段直接电接触。根据本发明的更优选实施例，在第一均等分段电极和第二均等分段电极的所有电极分段之间提供暗区，使得相邻电极分段都不与彼此直接电接触。暗区防止电流流经其到相邻分段之间。暗区的厚度(即，暗区在相邻分段之间所跨越的最小距离)根据空心阴极腔中的压力来设置。该厚度优选地包括在0.1mm到1mm之间、更优选地在0.2mm到0.5mm之间。
最出人意料地，发明人发现，包括第一均等分段电极和第二均等分段电极、并且其中第一电极和第二电极的分段分别地不与彼此直接接触的这种电极对能够在没有任何值得注意的扰动的情况下形成连续等离子体(即使是在长度上达到大于2m、3m或甚至4m的线性等离子体)。此外，发现通过控制所供应的电力，可以单独控制每对电极分段中的面向分段之间的等离子体密度。
根据本发明，相邻电极分段可以间隔开0.1mm至10mm、优选地0.1mm至5mm、更优选地0.5mm至3mm。
在本发明的一个或多个其他方面中，该对均等分段电极被定位在线性等离子体源、优选地空心阴极线性等离子体源中。
在本发明的一个或多个其他方面中，提供了一种线性等离子体源，其中，该线性等离子体源包括根据本发明的至少一个电极对。优选地，线性等离子体源是空心阴极线性等离子体源，其中，至少一个电极对中的第一均等分段电极和第二均等分段电极优选地具有用于在每个电极所包围的空间内生成空心阴极等离子体的期望的形态和组成。本发明的线性空心阴极等离子体源不依赖于闭路电子漂移来创建均匀的等离子体。
根据本发明的实施例，线性等离子体源还包括能够向电极对提供电力以生成等离子体、优选地空心阴极等离子体的电源。
根据本发明的实施例，可以从一个或多个电源向一对或多对电极分段供应电力，所述电源通常为供应变化的或交变的双极性电压的AC电源，从而提供在正与负之间交替的电压，以生成接近被供应的这些对的电极分段的等离子体生成表面的等离子体。
根据本发明的实施例，从一个或多个电源向每对电极分段供应相同的电力(即，具有对于正负电极之间的每对电极分段以相同的方式交替的电压的电力)，以生成接近被供应的这些对的电极分段的等离子体生成表面的等离子体、优选地空心阴极等离子体。
根据本发明的另一实施例，可以从单独的电源向每对电极分段供应电力，因此每个电极分段被供应以其单独的电力。两对或更多对电极分段也可以共享同一电源。
在本发明的另一实施例中，从单个电源向所有对电极分段供应电力。
根据本发明，可以向至少一对电极分段供应一种电力，并且可以向至少另一对电极分段供应另一种电力，其中，该一种电力和另一种电力具有在正与负之间交替的电压，以生成接近被供应的这些对的电极分段的等离子体生成表面的等离子体。该一种电力和另一种电力可以至少在其功率、电压、电流、相位和/或频率方面不同。优选地，该一种电力和另一种电力可以单独地并且独立地进行控制。独立地控制所供应的电力意味着可以独立于一种电力来设置另一种电力的不同的参数，这些参数至少包括功率、电压、电流、相位和/或频率。在优选实施例中，向每对电极分段单独地供应电力，其中，可以独立地控制对每对电极分段的单独的电力供应。
存在许多方法用于向成对的电极分段供应期望的电力。例如，可以将每对电极分段电连接至具有必要装置(例如电路)的单独的电源，以提供期望的电力。也可以从具有必要电路的单个电源向多于一对电极分段、甚至是向所有对电极分段供电，以向每对电极分段提供其单独的期望的电力。
出人意料地发现，因此具有被供应以一种电力的至少一对电极分段以及被供应以另一种电力的至少另一对电极分段的均等分段电极对能够形成线性等离子体，该线性等离子体在该至少一对电极分段之间的等离子体密度不同于在该至少另一对电极分段之间的等离子体密度。替代性地，可以通过供应不同的电力，例如以补偿在等离子体密度上引起差异或不均匀度的其他参数，从而使在该至少一对电极分段之间和在该至少另一对电极分段之间的等离子体密度相同。此外，供应给每对电极分段的电力可以是可连续修改的，以便在生产运行的持续时间上控制每个电极分段对的等离子体密度，而无需停止等离子体涂覆或表面处理过程。通过以此方式控制一个或多个电极分段对的等离子体密度，就可以尤其针对在长度上达到大于2m、3m或甚至4m的线性等离子体而言在生产运行的持续时间上连续地控制涂层沉积的均匀度或表面处理的均匀度。在特定实施例中，通过以此方式控制一个或多个电极分段对的等离子体密度，就可以有意地产生基板的宽度上的涂层沉积或表面处理的不均匀度或梯度。
根据本发明的另一实施例，从一个电源向一对或多对电极分段供应电力，而从另一个电源向一对或多对其他电极分段供应电力。
根据本发明的另一实施例，由作为单独电源的电源(与每一其他对电极分段的电源不同的电源)向每对电极分段供应电力。
根据本发明的另一实施例，从一个或多个电源向每对电极分段供应电力，这些电源具有用于向每对电极分段提供其单独的电力的必要电路系统，该电力是与每一其他对电极分段的电力分开控制的电力。
图3示出了另一对均等分段电极——第一电极(31)和第二电极(32)。第一电极和第二电极被均等地分为多个分段(31A，31B，31C和32A，32B，32C)。分别面向的分段(31A和32A；31B和32B；31C和32C)具有相同的大小，并且形成一对电极分段(A3，B3，C3)。第一均等分段电极和第二均等分段电极的形态使得其分别包围分开的第一腔和第二腔。每个腔的四个侧面被相应的电极包围，在朝向待表面处理或涂覆的基板一个侧面上留有开口或出口。在这种情况下，成对的电极分段B3的大小不同于成对的电极分段A3和C3的大小。未示出连接面向分段(31A和32A，31B和32B，31C和32C)的单独的电源。未示出用于等离子体形成气体和可选的前体气体的入口。
图4示出了另一对均等分段电极，类似于图3中的那一对均等分段电极，这一对均等分段电极具有被待表面处理或涂覆的平面基板46)部分地隐藏的第一电极(41)、以及第二电极(42)。第一电极和第二电极被均等地分为多个分段(41A，41B，41C和42A，42B，42C)。未示出分段41A和41B，因为它们被平面基板(46)从视野中隐藏。分别面向的分段(31A和32A；31B和32B；31C和32C)具有相同的大小，并且形成一对电极分段(A3，B3，C3)。第一均等分段电极和第二均等分段电极的形态使得其分别包围分开的第一腔和第二腔。每个腔的四个侧面被相应的电极包围，在朝向待表面处理或涂覆的基板一侧上留有开口或出口。在第一电极和第二电极的相应的腔内生成第一等离子体(43)和第二等离子体(44)，这些等离子体在电极(45)的出口之间延伸。第一分段电极(41)与平面基板(46)之间的距离(47)同第二分段电极(42)与平面基板(46)之间的距离(48)相同。在这种情况下，成对的电极分段B3的大小不同于成对的电极分段A3和C3的大小。未示出连接面向分段(31A和32A，31B和32B，31C和32C)的单独的电源。未示出用于等离子体形成气体和可选的前体气体的入口。
根据等离子沉积或表面处理过程的要求，发现可以通过改变供应给成对的电极分段的电力来控制在长度上达到大于2m、3m或甚至4m的线性等离子体的均匀度。可以关于功率(即，电流×电压的乘积)、电流、电压、频率和/或相位来改变供应给每个电极分段对的能量。
特别是针对空心阴极等离子体，供应给一对电极分段的电力通常可以在等离子体长度每米1kW到100kW之间变化、优选地在等离子体长度每米5kW到60kW之间变化、更优选地在等离子体长度每米10kW到40kW之间变化。一对电极分段的等离子体长度被定义为由这对电极分段生成的线性等离子体的端部之间的距离。为了本发明的目的，将等离子体的功率密度定义为供应给一对电极分段的总功率除以等离子体的总长度。
特别是针对空心阴极等离子体源，供应给一对电极分段的电流的频率通常在5kHz到150kHz之间、优选地在5kHz到100kHz之间。
在本发明的一个或多个其他方面中，提供了一种用于连续地控制在线性等离子体源的长度上的等离子体密度分布的方法。
用于控制在线性等离子体源的长度上的等离子体密度分布的方法包括：
a.提供包括根据本发明的至少一对均等分段电极的等离子体源、优选地空心阴极等离子体源；
b.通过所述均等分段电极的等离子体形成气体入口来注入等离子形成气体；
c.向一对电极分段和至少另一对电极分段供应电力，以便在其相应的出口之间生成等离子体帘；
d.独立于供应给所述至少另一对电极分段的电力的参数来设置供应给所述一对电极分段的电力的参数。
可以连续地或周期性地测量等离子体密度分布，并且适配所供应的电力的参数以便校正不均匀度。
根据本发明的实施例，所述一对分段电极进一步包括至少一对坯件。所述一对坯件包括第一分段电极的第一坯件，所述第一坯件面向第二分段电极的相同大小的第二坯件。发现通过在等离子体源的一个或两个端部上放置一对或多对坯件，可以因此使等离子体源的总长度适配待处理基板的宽度或待处理基板的选定区域。此外，发现通过将一对或多对坯件放置在等离子体源端部以外的其他位置处，可以在选定区域内中断线性等离子体源。根据本发明，坯件优选地具有与电极分段相同的材料，不具有空心阴极腔切口，并且未连接到电源。坯件优选地还设置有冷却装置。调整屏蔽件和绝缘件以简单地在电极的未使用部分周围进行绝缘。气体入口和气体出口优选地适配坯件的放置。
根据本发明，每个电极分段可以设置有用于例如通过比如水等冷却剂进行冷却的装置。在本发明的优选实施例中，至少一个电极分段设置有用于冷却的专用装置，所述专用装置与另一个电极分段的至少另一个冷却装置分开控制。所述用于冷却的装置可以例如包括附接到电极分段或集成在电极分段的主体内的冷却剂电路，例如水电路。可以从到主冷却电路的专用连接对用于例如通过水进行冷却的专用装置进行馈送。在本发明的更优选实施例中，每个电极分段可以设置有用于通过水或其他冷却方法进行冷却的专用装置。
发明人已经发现，在操作期间，电极分段的温度影响电极的磨损等。发现电极的不均匀磨损导致基板的表面处理和/或表面涂覆的不均匀度，并且甚至导致由于等离子体与电极材料本身的反应而形成碎屑。出人意料地发现，本发明的均等分段电极的电极分段显然取决于它们的位置而经受不同的热负荷，并且通过分开控制对不同分段的冷却，可以避免局部过热，并且从而使表面处理和/或表面涂覆的不均匀度以及碎屑的形成最小化。
优选地，等离子体源包括一个或多个用于前体气体的入口。这些前体气体入口优选地将前体气体朝向在成对的电极分段的出口之间形成的等离子体进行引导并且均匀分配。发现这种配置的涂层沉积速率最高。当使用时，前体气体优选地经由前体气体入口被供应，并且被引导通过等离子体形成电极之间的前体注入缝隙。
在本发明的一个或多个其他方面中，提供了一种用于使用结合本发明的一对或多对均等分段电极的等离子体源、优选地空心阴极等离子体源来进行对基板的表面处理的方法。
所述处理基板表面的方法包括：
a.提供包括包含根据本发明的至少一对均等分段电极的等离子体源、优选地空心阴极等离子体源的真空腔室；
b.通过所述均等分段电极的等离子体形成气体入口来注入等离子形成气体；
c.向一对或多对电极分段供应电力，以便在其相应的出口之间生成等离子体帘；
d.将基板引入所述所生成的(多个)等离子体帘中。
真空腔室中的压力通常包括在0.5Torr到0.001Torr之间、优选地在1mTorr到30mTorr之间、更优选在3mTorr到20mTorr之间。
在本发明的一个或多个其他方面中，提供了一种用于使用结合一对或多对均等分段电极的空心阴极等离子体源来在基板上沉积薄膜涂层的方法。
所述用于在基板上沉积薄膜涂层的方法包括：
a.提供包括包含根据本发明的至少一对均等分段电极的等离子体源、优选地空心阴极等离子体源的真空腔室；
b.通过所述均等分段电极的等离子体形成气体入口来注入等离子形成气体；
c.向一对或多对电极分段供应电力，以便在其相应的出口之间生成等离子体帘；
d.将涂层前体气体注入所生成的(多个)等离子体帘中；
e.将基板引入所生成的(多个)等离子体帘中；
f.从由所生成的(多个)等离子体帘活化的前体气体沉积涂层。
尽管用于使用本发明的一对或多对均等分段电极进行表面处理和沉积薄膜的方法具体地针对具有用于生成空心阴极等离子体的期望的形态和组成的电极，但是这些方法也可以使用生成不是空心阴极等离子体的等离子体的均等分段电极来进行。
在本发明的一个或多个其他方面中，提供了一种用于在过程运行的长度上控制薄膜沉积过程或表面处理的均匀度的方法。
所述用于控制表面处理的方法包括：
a.提供包括根据本发明的至少一对均等分段电极的等离子体源、优选地空心阴极等离子体源；
b.通过所述均等分段电极的等离子体形成气体入口来注入等离子形成气体；
c.向一对电极分段和至少另一对电极分段供应电力，以便在其相应的出口之间生成等离子体帘；
d.独立于供应给所述至少另一对电极分段的电力的参数来设置供应给所述一对电极分段的电力的参数；
e.将基板引入在一对或多对电极分段的出口之间如此生成的等离子体中；
所述用于控制涂层沉积的方法包括：
a.通过所述均等分段电极的等离子体形成气体入口来注入等离子形成气体；
b.向一对电极分段和至少另一对电极分段供应电力，以便在其相应的出口之间生成等离子体帘；
c.独立于供应给所述至少另一对电极分段的电力的参数来设置供应给所述一对电极分段的电力的参数；
d.将前体气体朝向所生成的等离子体帘引导；
e.将基板引入所生成的等离子体帘。
所述用于控制表面处理或涂层沉积的均匀度的方法优选地进一步包括：(连续地或周期性地)测量表面处理或涂层沉积的均匀度，确定测得的均匀度与期望的均匀度之间的差异，以及适配所供应的电力的参数以补偿期望的均匀度与测得的均匀度之间的差异。
如下文中所例示的，表面处理或涂覆的均匀度可以通过本领域技术人员已知的任何适当的测量方法来测量。涂层沉积、热处理、涂覆层热退火、表面清洁、表面化学功能化、涂层的晶体结构改性、离子轰击和离子注入经常会修改被处理基板的光学性能。例如，可以使用透射率、反射率和/或吸收率的测量来确定表面处理或涂层的均匀度。当表面处理或涂覆修改表面的润湿性时，例如可以使用水接触角测量。可以利用X射线衍射或X射线反射测量来确定结晶度的修改。可以使用四点探针测量设备、或者通过使用基于非接触涡流的测试设备间接地来进行电导率测量。
在本发明的一个或多个其他方面中，提供了一种沉积在基板上的涂层，其中，使用一对均等分段电极来沉积所述涂层。
根据本发明的实施例，通过提供被定位在等离子体源设备中的一对均等分段电极来实现这些和其他方面，所述电极对具有分别包括第一等离子体生成表面和第二等离子体生成表面的第一电极和第二电极。每个电极垂直于其长度被分为相同数量的电隔离分段，第一电极的每个分段面向第二电极的相同大小的分段，从而形成一对电极分段。每对电极分段中的分段都连接到专用电源。
根据本文所呈现的书面描述和附图，本发明的这些与其他目的和特征将是显而易见的。
在本发明的实施例中，提供了等离子体源。所述等离子体源包括一对均等分段电极，所述电极对具有被气体包含空间分隔开的第一电极和第二电极。每对电极分段都电连接到电源，该电源被配置用于供应在正与负之间交替的电压，以使被供应给第一电极的分段的电压与被供应给第二电极的分段的电压异相，从而创建在这些电极分段之间流动的电流。所述电流在这些电极分段之间创建在基本上不存在闭路电子漂移的情况下在分段对的长度上基本上均匀的等离子体。在该电源中，每对电极分段都连接到单独的专用电源。因此，可以单独地控制供应给每对电极分段的电压、电流、功率、频率或相位。因此，也可以单独地控制由每对电极分段创建的等离子体、特别是可以控制等离子体密度。
在本发明的一些实施例中，等离子体源可以被配置用于使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)来沉积涂层。当被配置用于PECVD时，被配置用于供应前体气体的气体入口和被配置用于供应反应气体的气体入口被包括在内。前体气体被等离子体活化。基板被传送成与源相邻，并且薄膜从活化气体沉积在基板上。
在本发明的一些实施例中，等离子体源可以被配置用于对基板的表面进行等离子体处理。当被配置用于进行表面处理时，基板被传送成与源相邻，并且表面处理通过使等离子体与基板接触来进行。
因此，还可以通过控制空心阴极等离子体源的等离子体密度分布来控制所产生的表面处理或涂层沉积。
本文所描述的主题的发明人已经发现，当结合到等离子体源中时，成对的均等分段电极用于改善在其生成的等离子体的长度上的均匀度。这导致更均匀的涂层沉积或表面处理。另一个益处是，当电极由单独分段组装而成时，延伸总长度大于1m的电极的制造和组装变得更加容易。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种电极对，所述电极对包括第一均等分段电极和第二均等分段电极(21，22)，其中，所述第一均等分段电极和所述第二均等分段电极(21，22)
a.具有用于电子发射和等离子体生成以及稳定性的的期望的形态和组成，
i.所生成的等离子体是空心阴极等离子体，
b.沿着纵向方向是细长的，
c.具有基本上完全相同的细长的形状和大小并且彼此相邻，其中，所述均等分段电极的纵向方向彼此平行，
d.各自垂直于其长度被分为相同数量的至少两个分段(21A，21B，21C和22A，22B，22C)，其中，
i.所述第一电极的每个分段(21A，21B，21C)面向所述第二电极的相等大小的分段(22A，22B，22C)，并且
ii.所述第一电极的每个分段与其面向的所述第二电极分段(21A和22A；21B和22B；21C和22C)形成一对电极分段(A2，B2，C2)。
2.根据权利要求1所述的电极对，其中，至少一对电极分段(B3)中的分段的大小与至少另一对电极分段(A3，C3)中的电极分段的大小不同。
3.根据权利要求1所述的电极对，其中，所有电极分段(A2，B2，C2)的大小都相同。
4.根据权利要求1至3所述的电极对，其中，电绝缘材料或暗区被设置在至少一对相邻电极分段中的相邻分段之间。
5.根据权利要求1至4所述的电极对，其中，所述第一均等分段电极和所述第二均等分段电极的所有分段都不与彼此直接电接触。
6.根据权利要求1至5所述的电极对，其中，所述第一均等分段电极和所述第二均等分段电极设置有用于冷却的装置。
7.根据权利要求1至6所述的电极对，其中，至少一个电极分段设置有冷却装置，所述冷却装置与另一个电极分段的至少另一个冷却装置是分开的。
8.根据权利要求1至7所述的电极对，其中，所述第一均等分段电极和所述第二均等分段电极包括至少一对坯件。
9.根据权利要求1至8所述的电极对，其中，至少一个电极分段设置有用于冷却的专用装置。
10.根据权利要求1至9所述的电极对，其中，所述均等分段电极中的至少一个电极分段包括两个电极子分段。
11.一种线性等离子体源，所述线性等离子体源包括根据权利要求1至10所述的至少一个电极对。
12.根据权利要求11所述的线性等离子体源，其中，所述线性等离子体源是线性空心阴极等离子体源。
13.根据权利要求11至12所述的线性等离子体源，包括向一对或多对电极分段供应电力的一个或多个电源。
14.根据权利要求13所述的线性等离子体源，包括向每对电极分段供应电力的一个电源。
15.根据权利要求13所述的线性等离子体源，包括针对每对电极分段向每个电极分段供应单独的电力的单独的电源。
16.根据权利要求11至15所述的线性等离子体源，其中，至少一个电极分段设置有专用冷却装置，所述专用冷却装置与另一个电极分段的至少另一个冷却装置分开控制。
17.根据权利要求13至16所述的线性等离子体源，其中，至少一对电极分段被供应以一种电力，并且至少另一对电极分段被供应给另一种电力。
18.根据权利要求13至16所述的线性等离子体源，其中，每对电极分段均被供应以相同的电力。
19.一种用于对基板表面进行处理或涂覆的方法，包括：
a.提供包括根据权利要求11至18所述的等离子体源的真空腔室；
b.通过所述等离子体源的均等分段电极的等离子体形成气体入口来注入等离子形成气体；
c.向一对或多对电极分段供应电力，以便在其相应的出口之间生成等离子体帘；
d.可选地将涂层前体气体注入所生成的(多个)等离子体帘中；
e.将基板引入所述所生成的(多个)等离子体帘中。
20.一种用于连续地控制在线性等离子体源的长度上的等离子体密度分布的方法，包括：
a.提供包括根据权利要求11至17所述的线性等离子体源的真空腔室；
b.通过所述等离子体源的均等分段电极的等离子体形成气体入口来注入等离子形成气体；
c.向一对电极分段和至少另一对电极分段供应电力，以便在其相应的出口之间生成等离子体帘；
d.独立于供应给所述至少另一对电极分段的电力的参数来设置供应给所述一对电极分段的电力的参数。
21.一种用于控制表面处理的均匀度的方法，包括：
a.提供包括根据权利要求11至17所述的线性等离子体源的真空腔室；
b.通过所述均等分段电极的等离子体形成气体入口来注入等离子形成气体；
c.向一对电极分段和至少另一对电极分段供应电力，以便在其相应的出口之间生成等离子体帘；
d.独立于供应给所述至少另一对电极分段的电力的参数来设置供应给所述一对电极分段的电力的参数；
e.将基板引入所述所生成的等离子体帘。
22.一种用于连续地控制薄膜沉积过程的均匀度的方法，包括：
a.提供包括根据权利要求11至17所述的线性等离子体源的真空腔室；
b.通过所述均等分段电极的等离子体形成气体入口来注入等离子形成气体；
c.向一对电极分段和至少另一对电极分段供应电力，以便在其相应的出口之间生成等离子体帘；
d.独立于供应给所述至少另一对电极分段的电力的参数来设置供应给所述一对电极分段的电力的参数；
e.将前体气体朝向所生成的等离子体帘引导；
f.将基板引入所述所生成的等离子体帘。
23.一种沉积在基板上的涂层，其中，使用根据权利要求1至10中任一项所述的电极对来沉积所述涂层，所述电极对包括第一均等分段电极和第二均等分段电极。

Claims (23)

1.一种电极对，所述电极对包括第一均等分段电极和第二均等分段电极，其中，所述第一均等分段电极和所述第二均等分段电极
a.具有用于电子发射和等离子体生成以及稳定性的期望的形态和组成，
b.沿着纵向方向是细长的，
c.具有基本上完全相同的细长的形状和大小并且彼此相邻，其中，所述均等分段电极的纵向方向彼此平行，
d.各自垂直于其长度被分为相同数量的至少两个分段，其中，
i.所述第一电极的每个分段面向所述第二电极的相等大小的分段，并且
ii.所述第一电极的每个分段与其面向的所述第二电极的分段形成一对电极分段。
2.根据权利要求1所述的电极对，其中，至少一对电极分段中的分段的大小与至少另一对电极分段中的电极分段的大小不同。
3.根据权利要求1所述的电极对，其中，所有电极分段的大小都相同。
4.根据权利要求1至3所述的电极对，其中，电绝缘材料或暗区被设置在至少一对相邻电极分段中的相邻分段之间。
5.根据权利要求1至4所述的电极对，其中，所述第一均等分段电极和所述第二均等分段电极的所有分段都不彼此直接电接触。
6.根据权利要求1至5所述的电极对，其中，所述第一均等分段电极和所述第二均等分段电极设置有用于冷却的装置。
7.根据权利要求1至6所述的电极对，其中，至少一个电极分段设置有冷却装置，所述冷却装置与另一个电极分段的至少另一个冷却装置是分开的。
8.根据权利要求1至7所述的电极对，其中，所述第一均等分段电极和所述第二均等分段电极包括至少一对坯件。
9.根据权利要求1至8所述的电极对，其中，至少一个电极分段设置有用于冷却的专用装置。
10.根据权利要求1至9所述的电极对，其中，所述均等分段电极中的至少一个电极分段包括两个电极子分段。
11.一种线性等离子体源，所述线性等离子体源包括根据权利要求1至10所述的至少一个电极对。
12.根据权利要求11所述的线性等离子体源，其中，所述线性等离子体源是线性空心阴极等离子体源。
13.根据权利要求11至12所述的线性等离子体源，包括向一对或多对电极分段供应电力的一个或多个电源。
14.根据权利要求13所述的线性等离子体源，包括向每对电极分段供应电力的一个电源。
15.根据权利要求13所述的线性等离子体源，包括针对每对电极分段向每个电极分段供应单独的电力的单独的电源。
16.根据权利要求11至15所述的线性等离子体源，其中，至少一个电极分段设置有专用冷却装置，所述专用冷却装置与另一个电极分段的至少另一个冷却装置分开控制。
17.根据权利要求13至16所述的线性等离子体源，其中，至少一对电极分段被供应以一种电力，并且至少另一对电极分段被供应以另一种电力。
18.根据权利要求13至16所述的线性等离子体源，其中，每对电极分段均被供应以相同的电力。
19.一种用于对基板表面进行处理或涂覆的方法，包括：
a.提供包括根据权利要求11至18所述的等离子体源的真空腔室；
b.通过所述等离子体源的均等分段电极的等离子体形成气体入口来注入等离子形成气体；
c.向一对或多对电极分段供应电力，以便在其相应的出口之间生成等离子体帘；
d.可选地将涂层前体气体注入所生成的(多个)等离子体帘中；
e.将基板引入所述所生成的(多个)等离子体帘中。
20.一种用于连续地控制在线性等离子体源的长度上的等离子体密度分布的方法，包括：
a.提供包括根据权利要求11至17所述的线性等离子体源的真空腔室；
b.通过所述等离子体源的均等分段电极的等离子体形成气体入口来注入等离子形成气体；
c.向一对电极分段和至少另一对电极分段供应电力，以便在其相应的出口之间生成等离子体帘；
d.独立于供应给所述至少另一对电极分段的电力的参数来设置供应给所述一对电极分段的电力的参数。
21.一种用于控制表面处理的均匀度的方法，包括：
a.提供包括根据权利要求11至17所述的线性等离子体源的真空腔室；
b.通过所述均等分段电极的等离子体形成气体入口来注入等离子形成气体；
c.向一对电极分段和至少另一对电极分段供应电力，以便在其相应的出口之间生成等离子体帘；
d.独立于供应给所述至少另一对电极分段的电力的参数来设置供应给所述一对电极分段的电力的参数；
e.将基板引入所述所生成的等离子体帘。
22.一种用于连续地控制薄膜沉积过程的均匀度的方法，包括：
a.提供包括根据权利要求11至17所述的线性等离子体源的真空腔室；
b.通过所述均等分段电极的等离子体形成气体入口来注入等离子形成气体；
c.向一对电极分段和至少另一对电极分段供应电力，以便在其相应的出口之间生成等离子体帘；
d.独立于供应给所述至少另一对电极分段的电力的参数来设置供应给所述一对电极分段的电力的参数；
e.将前体气体朝向所生成的等离子体帘引导；
f.将基板引入所述所生成的等离子体帘。
23.一种沉积在基板上的涂层，其中，使用根据权利要求1至10中任一项所述的电极对来沉积所述涂层，所述电极对包括第一均等分段电极和第二均等分段电极。
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