CN111247617B

CN111247617B - 线性高能射频等离子体离子源

Info

Publication number: CN111247617B
Application number: CN201880068516.6A
Authority: CN
Inventors: 克雷格·A·奥滕
Original assignee: Denton Vacuum LLC
Current assignee: Denton Vacuum LLC
Priority date: 2017-11-13
Filing date: 2018-11-13
Publication date: 2022-11-18
Anticipated expiration: 2038-11-13
Also published as: CN111247617A; US20190145005A1; JP7206286B2; US10815570B2; EP3711078B1; WO2019094929A1; KR102389512B1; EP3711078A4; JP2021502688A; EP3711078C0; TWI699812B; TW201931415A; KR20200075868A; EP3711078A1

Abstract

一种等离子体离子源，包括等离子体腔体，该等离子体腔体具有至少一个用于将进料气体引入等离子体腔体的内部的入口。等离子体腔体与附接到等离子体腔体的真空腔电隔离。等离子体腔体的内部中的电感天线配置为根据供应到电感天线上的RF电压来供应电磁能量源。等离子体离子源包括设置在等离子体腔体的端部的引出栅格。引出栅格和等离子体腔体之间的电压差加速等离子体放电中的带电物质，以产生输出准中性等离子体离子束。施加至等离子体腔体的偏置电压包括与脉冲DC电压结合的供应至天线的RF电压的部分。

Description

线性高能射频等离子体离子源

相关申请的交叉引用

本申请要求保护在2017年11月13日提交的标题为“线性高能射频感应等离子体离子源”的美国临时专利申请62/585,126以及在2018年11月8日提交的标题为“线性高能射频等离子体离子源”的美国专利申请16/184,177的益处，其全部公开内容明确地通过引用整体并入本文用于所有目的。

技术领域

本发明通常涉及电气、电子和计算机领域，尤其涉及用于产生气体放电(等离子体)的方法和装置。

背景技术

等离子体系统对于固态材料的生产、加工和处理以及其他应用具有重要意义。等离子体反应器，也称为等离子体源，可以用于许多等离子体加工应用，包括但不限于薄膜生长、分散、蚀刻和清洁。等离子体源通常用于通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)来沉积薄膜材料，而离子源通常用于表面的处理以改变其润湿性、去除污染物或残留的清洁溶剂、以及改进涂层和薄膜材料的粘附性等应用。

化学气相沉积(CVD)是用于沉积薄膜材料的公知技术。CVD通常使用被汽化成气体的液体化学前体。CVD可以在大气压或真空条件下执行。在许多常规CVD加工中，需要热能来引发化学反应，该化学反应导致在基底表面上的沉积；热能可以由例如电阻加热器或辐射灯提供。通常，基底必须被加热到几百摄氏度至几千摄氏度的温度，以便使前体气体化学反应并在基底表面上形成薄膜涂层。在这种情况下，加热的基底作为CVD的主要能量源。表面化学反应是薄膜沉积的关键驱动因素；气态下的气相反应通常是不期望的，并且导致粒子的形成，这常常导致沉积薄膜中的缺陷。

相反，等离子体放电在PECVD中作为主要能量源。等离子体是主要由带正电的离子和带负电的电子组成的电离气体。如果等离子体几乎完全被电离，则通常将其分类为“热”，或者如果仅小部分气体分子(例如，大约百分之一)被电离，则将其分类为“冷”。通常，用于PECVD的等离子体是“冷”低温等离子体，然而，“冷”等离子体中的电子具有能量(即，在等离子体物理的情况下为温度)，通常大约为数十电子伏特(eV)。等离子体中的自由电子具有足够的能量以在气态前体中引发化学反应，这导致在与CVD相比低得多的基底温度下在基底上沉积。此外，等离子体放电中的正离子撞击基底并将它们的动量转移给生长的膜。然而，这种动量转移通常不会增加基底的温度。此外，离子通常具有低能量，通常大约为数十电子伏特。

在PECVD加工中，可能需要增加沉积期间撞击在基底上的离子的能量，从而调整薄膜涂层的一种或更多种性质。用于PECVD的传统等离子体源缺乏在不向基底施加电压(通常称为基底偏置)的情况下增加离子的能量的能力。虽然基底偏置对于静态(即，静止的)小面积(例如，小于约一平方米)基底可能是有效的，但是这样的技术对于在工业真空涂覆器(例如，网状涂覆器或直列涂覆器)中使用是不切实际的，其中，大面积基底(例如，柔性网、显示器玻璃、建筑玻璃、车辆玻璃、光伏面板等)移动穿过涂覆器。

发明内容

本发明的一个或更多个实施例涉及通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在大面积上沉积薄膜涂层的技术，该PECVD使用线性、自我中和的高能等离子体离子源，该等离子体离子源的离子能量和离子电流密度(即，离子流)可以连续地且彼此独立地改变。根据一个或更多个实施例，等离子体离子源非常适合于离子束辅助化学气相沉积(IBACVD)；特别是机械地沉积耐用及抗刮擦的涂层，例如在玻璃及聚合物基底上的类金刚石碳(DLC)和类金刚石纳米复合材料(DLN)薄膜等。

根据本发明的实施例，示例性的线性高能等离子体离子源包括等离子体腔体，所述等离子体腔体与真空腔电隔离，等离子体腔体附接到所述真空腔，等离子体腔体用作等离子体离子源的电极并且适于接收施加到其上的偏置电压。电感天线设置在等离子体腔体的内部并且配置为向等离子体腔体的内部提供电磁能量源。天线操作以依据向天线提供的射频(RF)电压来维持限制在等离子体腔体的内部的等离子体放电，施加到等离子体腔体的偏置电压向等离子体放电中的带电物质供应静电势。等离子体离子源还包括引出栅格，所述引出栅格设置在等离子体腔体的与电感天线相对的端部。引出栅格处于与真空腔相同的电压电势，引出栅格与等离子体腔体之间的电势差配置为加速等离子体放电中的带电物质离开引出栅格以产生输出准中性等离子体离子束。偏置混合器与等离子体腔体耦接，偏置混合器将供应至天线的RF电压的部分与脉冲直流(DC)电压结合以产生施加至等离子体腔体的偏置电压。

如本文中可使用的，“促进”动作包括执行动作、使动作更简单、帮助实施动作或使动作被执行。因此，作为示例而非限制，在一个处理器上执行的指令可以通过发送适当的数据或命令以引起或帮助动作被执行来促进由在远程处理器上执行的指令所实施的动作。为了避免疑问，当参与者通过执行动作以外的其他方式来促进该动作时，该动作仍然是由某个实体或实体的组合执行。

各种单元、电路、模块或其它组件在本文中可被描述为“配置为”执行特定任务或更多个任务。在这样的上下文中，术语“配置为”意在广义地解释为对结构的叙述，该结构通常表示“具有在操作期间执行特定任务或更多个任务的电路或硬件”。因此，即使当单元、电路、模块或组件当前没有通电时，单元、电路、模块或组件可以被配置为执行主题任务或更多个主题任务。通常，形成对应于“配置为”的结构的电路或硬件可以包括硬件电路和/或存储器，所述存储器存储可执行的程序指令以实施规定的操作。类似地，为了描述方便，各种单元、电路、模块或组件可以被描述为执行一个或更多个任务，这样的描述应当被解释为包括短语“配置为”。叙述被配置为执行一个或更多个任务的单元、电路、模块或组件，不意在明确地引起用35U.S.C.§112段落(f)解释单元、电路、模块或组件。

根据本发明的实施例的技术提供了实质上有益的技术效果。仅作为示例而非限制，本发明的一个或更多个实施例实现了以下一个或更多个效果，以及其它效果：

·RF等离子体离子源，所述RF等离子体离子源产生自我中和的离子束，而不需要二次或辅助电子源来补偿离子束的正空间电荷；

·RF等离子体离子源，所述RF等离子体离子源能够独立控制离子电流密度(即，离子流)和离子能量；

·RF等离子体离子源，配置为产生高能离子束而无需基底偏置，且因此适于在大面积移动基底上沉积膜；

·RF等离子体离子源，所述RF等离子体离子源能够沉积在膜成核和生长期间需要高能离子撞击的膜以提供有益性质，所述有益性质诸如但不限于抗刮擦性、硬性、疏水性等；

·RF等离子体离子源，当在延长的操作周期(例如，数十小时或更长)内沉积电绝缘涂层或膜时，其能够稳定操作而无需维护。

通过结合附图阅读的本发明的说明性实施例的以下详细描述，本发明的这些和其它特征和优点将变得显而易见。

附图说明

以下附图仅以示例的方式呈现，而不是限制，其中，在所有的若干视图中，相同的附图标记(当使用时)指示对应的元件，其中：

图1是根据本发明的实施例概念性地描述包括用于处理基底表面的线性射频(RF)驱动的等离子体离子源的说明性装置的至少一部分的透视图；

图2是根据本发明的实施例描述的适于实施图1所示的示例性等离子体离子源的说明性的线性RF驱动等离子体离子源的至少一部分的等距视图；

图3是根据本发明的实施例描述的说明性等离子体离子源装置的至少一部分的截面图；

图4是根据本发明的实施例描绘的具有改进的热管理的说明性等离子体离子源装置的至少一部分的截面图；

图5是根据本发明的实施例描绘的具有磁性增强的说明性等离子体离子源装置的至少一部分的截面图；

图6是根据本发明的实施例概念性地描述的包括线性RF驱动等离子体离子源的说明性线性涂覆器或箱式涂覆器系统的至少一部分的框图；

图7是根据本发明的说明性实施例描述的偏置电压和偏置电压的脉冲频率对从图6所示的示例性等离子体离子源引出的离子电流密度的影响的曲线图；以及

图8是根据本发明的说明性实施例描述的偏置电压对来自图6所示的示例性等离子体离子源的离子能量的影响的曲线图。

应当理解，附图中的元件是为了简单和清楚的说明。在商业上可行的实施例中可能有用或必要的普通但公知的元件可能未示出，以便于较少阻碍地观察所示实施例。

具体实施方式

本发明的原理将在说明性装置和方法的上下文中描述，该说明性装置和方法用于在大覆盖区域上产生准中性、线性的射频(RF)带电离子的能量束以用于通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积薄膜涂层。在一个或更多个实施例中，提供了通过向用作源电极的等离子体腔体新颖地施加组合的脉冲直流(DC)和RF电压来有利地实现对离子电流密度和离子能量的独立控制的方法和装置。然而，应当理解，本发明不限于在此说明性地示出和描述的特定装置、系统和/或方法。此外，对于本领域技术人员来说，在本文给出的教导下，显然可以对所示的实施例进行许多修改，这些修改都在请求保护的发明的范围内。也就是说，不意在或不应推断出关于本文所示和所描述的实施例的限制。

作为初步问题，为了阐明和描述本发明的实施例，下表提供了某些首字母缩写词及其相应定义的简要信息，这些术语在本文中使用如下：

首字母缩写词定义表

首字母缩写词	定义
		RF	射频
CVD	化学气相沉积
		PECVD	等离子体增强化学气相沉积
IBACVD	离子束辅助化学气相沉积
		DLC	类金刚石碳
DLN	类金刚石纳米复合材料
		DC	直流
AC	交流
		MHz	兆赫兹
KHz	千赫兹
		kV	千伏
pF	皮法
		SCCM	标准立方厘米每分钟

在整个详细说明中，使用了某些术语，可以明确地提供这些术语的定义。在术语未在本文中明确定义的情况下，如本领域技术人员将理解的，该术语的普通含义是如该术语在相关技术领域的相关背景下通常使用的。

例如，本文使用的术语“等离子体”意在被广义地解释，并且包括电离的或部分电离的气体，该气体包括成比例的正离子和自由电子，导致或多或少地没有总电荷。换句话说，等离子体通常包含相等数量的正电荷和负电荷以及不同数量的未电离的中性分子。

本文使用的术语“基底”意在被广义地解释，并且包括待涂覆的物质或层，基底可以是刚性或柔性的，并且可以包括例如玻璃、聚合物、金属、半导体、或任何其它可以被涂覆或以某种方式改性的材料。

本文使用的术语“离子束辅助化学气相沉积(IBACVD)”意在被广义地解释，并且包括化学气相沉积(CVD)加工，该加工使用高能准中性离子束来辅助两种不同但相关的等离子体化学加工：1)引入到基底材料附近的气态前体蒸气的分裂、激发和电离；以及2)凝结在基底材料表面上以形成连续致密薄膜涂层的前体物质的密实化、改性和化学活化。

本文使用的术语“射频(RF)”意在被广义地解释，并且包括来自射频发生器的电功率的应用，其中信号(例如电压和电流)以正弦的方式在某个频率上变化。电压变化通常从负到正。在一个或更多个公开的实施例中，所采用的RF信号的频率大约为2MHz，尽管本发明的实施例不限于任何特定的频率。例如，在一个或更多个其它实施例中，可以类似地采用具有4MHz、13.56MHz、27.12MHz和40MHz的频率的商用RF等离子体发生器。

本文使用的术语“电感天线”意在被广义地解释，并且包括将电磁或RF能量以时变磁(或感应)场的形式耦合到另一腔体中的无源部件。在一个或更多个实施例中，预期的腔体是包括电离的气体物质的等离子体放电。在一个或更多个实施例中，电感天线包括多匝水冷铜管，该水冷铜管具有矩形、正方形或圆柱形的几何形状，并且优选地具有宽度小于其长度的矩形形状。应当理解，本发明的实施例不限于电感天线的任何特定几何形状或大小，在本文给定的教导下，这对本领域技术人员将变得显而易见。

本文使用的术语“法拉第屏蔽”意在被广义地解释，并且包括其中具有狭缝或其它开口(即，孔)的导电网或外壳，该导电网或外壳被放置在电感天线和等离子体之间，从而减小电感天线的绕组和等离子体之间的电容(或电场)耦合。在一个或更多个实施例中，法拉第屏蔽包括具有高电导率的金属，所述金属例如铝或铜等。此外，在一个或更多个实施例中，法拉第屏蔽包括以周期性间隔围绕电感天线设置的分立元件。可以类似地采用法拉第屏蔽的其它实施例，在本文给定的教导下，对于本领域技术人员来说，这将变得显而易见。

本文所使用的术语“脉冲DC”意在被广义地解释，并包括来自直流(DC)电源的电功率的应用，该直流电源通常由例如半波整流器或全波整流器产生，尽管波形可能不必是正弦的(例如方波、脉冲序列等)。脉冲DC信号具有DC和交流(AC)信号两者的特性。DC信号的电压通常是恒定的，而AC信号的电压以正弦的方式在某些频率上变化。类似于AC信号，脉冲DC信号连续地变化，但以类似于DC信号的方式，电压的符号通常是恒定的。脉冲DC信号中的电压变化通常类似于方波。各种脉冲DC信号可以与通常称为单极性的单极性电压输出(正或负)和通常称为双极性的双极性电压输出(正和负)一起使用。在双极性信号的情况下，脉冲DC发生器发出的正电压和负电压的幅度是相等(通常称为对称的)或不等的(通常称为非对称的)。在本发明的一个或更多个说明性实施例中，采用频率范围为约5KHz至350KHz的非对称双极脉冲DC发生器。

本文使用的术语“进料气体”意在被广义地解释，并且包括直接引入等离子体离子源的等离子体腔体中的气体，也包括由RF电感天线产生的等离子体放电。在本发明的一个或更多个实施例中，进料气体可以包括纯气体，诸如但不限于氩气、氧气、氮气和/或其它可电离气体，或者上述气体中的一种或更多种的混合物。应该理解，本发明的实施例并不限于任何特定的气体或者气体的混合物，在本文的教导下，这对本领域的技术人员来讲将是显然的。

本文使用的术语“前体气体”意在被广义地解释，并且包括包含化学元素或生成另一化合物的元素的分子形式的气体。在一个或更多个实施例中，化合物被凝结到基底上并形成固体涂层，该固体涂层可被本领域技术人员称为薄膜层或更多个层。

如前所述，在PECVD加工中，可能需要增加沉积期间撞击在基底上的离子的能量，从而调整薄膜涂层的一种或更多种性质。然而，用于PECVD的传统等离子体源缺乏在不使用基底偏置(即，施加到基底的电压)的情况下增加离子能量的能力。用于PECVD，尤其是用于介电薄膜的沉积的大多数传统线性等离子体源具有独立增加离子能量而不对等离子体源的操作产生负面影响的有限能力。这种传统的线性等离子体和离子源包括但不限于阳极层源、端部霍尔源、栅格离子源、磁控管等离子体源、中空阴极源、微波源、RF电容和电感源以及闭合漂移源。虽然这些源中的一些已经成功地用于等离子体处理和离子辅助物理气相沉积应用，但是它们对于基底的PECVD加工具有明显较低的效率，这至少部分是由于在它们的内部和外部部件上沉积绝缘膜以及在它们的长度上不充分地中和离子束空间电荷所导致的不稳定操作。

例如，阳极层和端部霍尔源难以操作，并且至少由于上述原因而具有有限的应用。RF(电容型和电感型)源主要用于小型基底，例如半导体晶片。然而，这种方法在按比例扩大到大面积基底上遇到了困难，这至少部分地由于阻抗匹配的复杂性和成本、非常慢的沉积速率和微粒的产生等因素。微波源和中空阴极源已经分别用于光伏面板的加工和建筑玻璃的加工。然而，这些源通常产生低能离子(例如，约小于15-25eV)，并且源装置不具有独立加速离子的能力。磁控管等离子体源和闭合漂移型源具有有限的用于独立控制离子能量的能力。通常，离子能量与源的放电电压和操作压力有关。因此，存在有限的加工窗口来调整离子能量。栅格离子源通常用于在物理气相沉积加工(例如溅射或蒸发)期间的等离子体处理或离子辅助。用于PECVD加工的这些源的应用受到限制，这至少部分是由于在引出栅格和/或源部件(内部或外部)上沉积绝缘膜而导致的源的不稳定操作。另外，至少部分由于使用用于空间电荷补偿的点电子源，使栅格源在大面积基底上呈现不均匀的中和。

本发明的各方面提供了用于通过PECVD在大面积(例如，约大于0.4米)上沉积薄膜涂层的装置和方法，该PECVD使用几何线性的、自我中和的等离子体离子源，该等离子体离子源被配置为使得离子能量和离子电流密度连续地且独立地变化。更具体地说，本发明的一个或更多个实施例采用电感耦合等离子体离子源来产生离子、电子和中性气体粒子的高密度与非热等离子体。在一个或更多个实施例中，电感耦合等离子体由RF驱动天线产生和维持，该RF驱动天线设置在由导电材料构成的腔体的内部。该腔体形成机械刚性、真空密封且制造成本有效的等离子体腔。在一个或更多个实施例中，等离子体离子源通过安装法兰或其它连接方式在外部附接到真空腔上，真空腔中的压力优选维持在约10^-6-10^-8托。

根据本发明实施例的等离子体离子源有利地适用于IBACVD加工，该IBACVD加工可以在大面积玻璃和聚合物基底上沉积机械耐用且抗刮擦的涂层，所述涂层例如类金刚石碳(DLC)和类金刚石纳米复合材料(DLN)薄膜。对于工业的规模加工，本发明的实施例可以在相当长的长度(例如，大于0.4米)上产生均匀且稳定的高能准中性离子束。

图1是根据本发明的实施例概念性地描述的用于IBACVD应用的包括线性RF驱动等离子体离子源102的说明性装置100的至少一部分的透视图。RF驱动等离子体离子源102设置在转换(即移动或非静止)基底104附近。在一个或更多个实施例中，基底104优选的在基本上平行于面向基底104的上表面的等离子体离子源的下表面的方向上，相对于等离子体离子源102移动，该移动例如使用传输机构106。传输机构106可包括但不限于传送带、工作台和被配置为驱动所述工作台的马达、卷对卷(R2R)组件等。用于相对于等离子体离子源102转换基底104的其它合适的机构和方法对于本领域技术人员将变得显而易见，包括使用具有固定基底的移动等离子体离子源等。适合与本发明的实施例结合使用的基底104包括但不限于挠性网、显示器玻璃、建筑玻璃、车辆玻璃、光伏面板等。

等离子体离子源102包括适于在其中产生并维持等离子体放电的等离子体腔体108。在一个或更多个实施例中，等离子体腔体108由有关电的导电材料(例如，金属)形成且基本上成形为中空矩形立方体形状。可类似地设想等离子体腔体108的其它形状及大小(例如，圆柱形)。

等离子体腔体108包括一个或更多个入口110，待电离的进料气体112通过所述入口被引入。前体气体113通过一个或更多个气体入口114引入，入口114可以使用歧管116等进行分布，所述歧管116在等离子体腔体和基底104之间插入。歧管116和相应的前体气体入口114可以被固定到等离子体腔体108，或者使用其它方式设置。包括进料气体离子、电子和中性物质的等离子体离子束(未明确示出，但隐含)与前体气体相互作用，并引发等离子体-化学反应，导致在基底104的上表面上的薄膜涂层118的沉积。在一个或更多个实施例中，采用多个歧管116和相应的前体气体入口114(例如，在等离子体腔体108的相对面上)，从而提供更均匀的涂层118，或者促进对IBACVD加工的更精确的控制。

图2是根据本发明的实施例描述的适于实施图1所示的等离子体离子源102的说明性的线性RF驱动等离子体离子源200的至少一部分的等距视图。参考图2，等离子体离子源200被示出为从图1所示的操作位置的倒置，包括适于在其中产生并维持等离子体放电的等离子体腔体202。在一个或更多个实施例中，等离子体腔体202由导电材料(例如，金属)形成且成形为中空矩形立方体形状。可类似地设想等离子体腔体202的其它形状及大小。

在一个或更多个实施例中，等离子体腔体202使用绝缘真空法兰204与真空腔(未明确展示)电隔离，等离子体离子源在所述真空腔中操作。在一个或更多个实施例中，绝缘真空法兰204包括氧化铝或其它刚性陶瓷、

(无定形热塑性聚醚酰亚胺(PEI)材料)、聚合材料、玻璃状材料、或任何其它刚性材料，所述任何其他刚性材料具有下面的性质：可加工且呈现高介电强度(例如，在1.0MHz下的

大约为3.0，或在1.0MHz下的氧化铝大约为9.1)、低RF损耗因子(例如，在1.0MHz下的

大约为0.0015，或在1.0MHz下的氧化铝大约为0.0007)、高机械强度(例如，

的大于约150兆帕(MPa)的压缩应力，或氧化铝的大约2,100MPa的压缩应力)、高耐用温度(例如，氧化铝或

的大于约1,700摄氏度的最大使用温度)、以及高电阻率(例如，氧化铝或

的大于约10¹⁴欧姆-厘米的体积电阻率)等其他性质。在一个或更多个实施例中，真空法兰204包括无定形热塑性、聚醚酰亚胺材料。设想多种其他材料可以被用于真空法兰204的成形中，诸如但不限于聚四氟乙烯和氧化铝等。

绝缘真空法兰204在等离子体腔体202与真空腔配合法兰206之间插入。在一个或更多个实施例中，真空腔配合法兰206适于将等离子体离子源200与真空腔(未明确示出)耦合，并且优选地包括机械刚性且真空兼容的非磁性金属，该非磁性金属例如非磁性不锈钢。

等离子体离子源200还包括栅格引出组件208。在一个或更多个实施例中，栅格引出组件208包括多个导电杆210，其优选地具有低溅射率。在本发明的实施例中，其中等离子体腔体202接地，导电杆210与等离子体腔体电隔离，使得可在栅格引出组件与等离子体腔体之间施加电势差，从而将带电离子以离子束的形式加速离开等离子体离子源200。

在一个或更多个实施例中，导电杆210包括由金属材料(例如，石墨)。导电杆210优选地以周期性间隔沿栅格引出组件208的开口设置。仅作为示例而非限制，各导电杆210的相应几何中心之间的间距在约3mm至7mm之间变化。可选地，在一个或更多个实施例中，例如用集成到真空配合法兰206中或集成到真空腔门(未明确示出，但隐含)中的真空密封水冷却回路或用散热器等来冷却栅格引出组件208，从而消除在等离子体离子源200的操作期间在栅格引出组件208中产生的热。

图3是根据本发明的实施例描绘的在薄膜涂层的沉积中使用的说明性等离子体离子源300的至少一部分的截面图。在操作期间，等离子体离子源300通常安装在真空腔(未明确示出，但隐含)上，或放置在真空腔内。以与图2所示的等离子体离子源200一致的方式，等离子体离子源300包括适于在其中产生并维持等离子体放电的等离子体腔体302。等离子体腔体302优选地由导电材料(例如，金属)形成，且成形为中空矩形立方体形状，但本发明的实施例不限于任何特定形状和/或大小。在一个或更多个实施例中，等离子体腔体302包括高导电及导热金属(优选为铝)，其用作装置的真空腔。在一个或更多个实施例中，等离子体腔由真空级铝制造并具有真空密封件(例如，弹性O形环)。因此，等离子体腔本身用作真空腔。

在一个或更多个实施例中，一个或更多个冷却通道304或替代的热移除机构(例如，散热器)(例如，通过焊接或其他固定方式)设置在等离子体离子源300的外表面(即，大气侧)上并与等离子体离子源300热接触，并且被配置为防止等离子体腔体302过热。等离子体离子源300的过热会导致真空密封部件(例如，弹性O形环，未明确示出)的热降解，这会导致真空完整性的损失。在本发明公开的实施例中，水是用于装置的优选冷却流体，尽管其它冷却流体(例如，氯氟烃(CFC)制冷剂、乙二醇、丙二醇、氨等)可以类似地使用。

在一个或更多个实施例中，源法兰306利用例如高温O形环密封件固定到等离子腔体302，所述高温O形环密封件诸如但不限于含氟聚合物弹性体或本领域技术人员已知的可替代的固定装置。在一个或更多个实施例中，源法兰306可从等离子体腔体302移除以促进进入等离子体腔体的内部，例如用于等离子体离子源部件(例如，电感天线等)的维护和/或修理。可选地，冷却通道308在源法兰306中成形(例如，机械加工)。冷却通道308适于例如通过使液体(例如水)或气体(例如空气)循环通过冷却通道从等离子体离子源300移除热量。源法兰306还包括一个或更多个入口310，通过所述入口将待电离的进料气体引入到等离子体腔体302的内部。

等离子体离子源300还包括电感天线312，所述电感天线312被配置为当RF信号被施加到天线时，向等离子体腔体302的内部提供电磁能量源。天线312优选地使用合适的安装硬件(例如支架等)悬挂在等离子体腔体302内，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。天线312优选地与等离子体腔体302电隔离。在一个或更多个实施例中，天线312设置在源法兰306上，这便于在移除源法兰时容易地移除天线。电感天线312的形状优选地匹配等离子体腔体302的形状；即在一个或更多个示例性实施例中为矩形立方体形状。然而，应当理解，本发明的实施例不限于天线312的任何特定形状或大小。

天线312优选地包括多个导线或导管的绕组314(即，匝)；用于形成天线的绕组越多，电感耦合越有效，且因此传递到等离子体腔体302的内部的电磁能量越大。在一个或更多个实施例中，天线312是水冷的。例如，天线312的绕组314可以由中空铜管形成，冷却水或另一液体穿过该中空铜管，从而将热量从天线转移走，从而防止对等离子体离子源的一个或更多个部件(例如，真空密封件等)的热损坏。以这种方式，天线312适于在高RF功率电平(例如，大于约1000瓦)下工作。

当RF信号(例如从外部RF发生器(未明确示出))施加至天线312时，电感耦合至等离子体腔体302的RF能量电离进料气体并形成高密度等离子体放电316。等离子体放电316主要包含在天线312的绕组314之间的内部空间内。在一个或更多个实施例中，天线312包括中空氧化铝(矾土)导管318，或由替代的电绝缘体形成的导管，该导管围绕铜绕组314。在可选的实施例中，导电绕组314的至少一部分涂覆有电绝缘材料层。氧化铝导管318是电绝缘体，用于保护铜绕组314的暴露于等离子体放电316的部分，使其不被溅射到基底(例如，图1中的104)的表面上。在没有保护氧化铝导管318的情况下，铜绕组314将被等离子体放电316中的离子溅射，这将导致真空和水泄漏到等离子体腔体302和真空腔(未明确示出)中。

天线绕组314的一部分被布置在等离子体腔体302的外部，并且提供到RF发生器的电连接以及到冷却液体源(为了清楚起见未明确示出)的连接。例如，在一个或更多个实施例中，天线312的铜绕组314利用真空引线(未明确示出，但隐含)布置到等离子体腔体302中。真空引线由绝缘材料(例如，陶瓷)形成，使得铜绕组314不与优选导电的等离子体腔体302电连接(从而防止天线312与等离子体腔体302之间的电短路)。

继续参考图3，在一个或更多个实施例中，具有可选的冷却通道322的真空配合法兰320设置(例如，焊接或以其它方式固定)在等离子体腔体302上，以提供到介电真空断路器324的真空配合表面。以与在源法兰306中成形冷却通道308的形成一致的方式，冷却通道322可被机械加工到真空配合法兰320中或附接到真空配合法兰320的外部，冷却通道322适于例如通过使液体(例如，水)或气体(例如，空气)循环通过冷却通道来从等离子体离子源300移除热量。

介电真空断路器324包括电绝缘材料，所述电绝缘材料例如但不限于聚合物、陶瓷、玻璃或其它介电材料，其优选地是真空密封的、可加工的和机械刚性的材料。在一个或更多个实施例中，介电真空断路器324包括高温热塑性材料。在一个或更多个实施方式中，介电真空断路器324设置在等离子体腔体302与真空腔门326之间。可选地，真空腔门326成形为具有冷却通道328。以与分别在源法兰306和真空法兰320中形成冷却通道308和322的形成一致的方式，冷却通道328可被机械加工到真空腔门326中或附接到真空腔门326外部，冷却通道328适于例如通过使液体(例如，水)或气体(例如，空气)循环通过冷却通道从真空腔移除热量。采用真空腔门326的一个优点是为清洁等离子体离子源300和将基底(例如，图1中所示的104)放置在真空腔中的固定装置(未明确示出)上提供了方便。

在图3所示的说明性实施例中，等离子体腔体302使用介电真空断路器324与真空腔门326和真空腔(未明确展示，但隐含)电隔离。通过将等离子体腔体302与电接地(优选接地)的真空腔门326和真空腔(未示出)电隔离，等离子体腔体302可被偏置到规定的电压电平，而不需要基底偏置或提供设置在等离子体腔体302内部的内部源电极(未示出)。因此，如前所述，使用外部偏置电压源(未明确示出)直接偏置的等离子体腔体302本身用作源电极。类似地，可设想用于将等离子体腔体302与真空腔电隔离的其它机构，这对于本领域技术人员来说将是显而易见的。

等离子体离子源300包括静电屏蔽330的布置，在此称为法拉第屏蔽，其围绕天线设置在电感天线312和等离子体腔体302之间。在一个或更多个实施例中，法拉第屏蔽330成形为在其中具有槽或孔，并且是矩形形状，或者优选地与等离子体腔体302的形状匹配。法拉第屏蔽330至少部分地用于降低天线312的绕组314之间产生的电容性电压，并仅允许感应场和电压进入等离子体腔体302的内部，在该等离子体腔体的内部形成等离子体放电316。此外，法拉第屏蔽330在天线312与等离子体放电316之间提供相对恒定的电阻抗，这有助于快速且可重复地点燃引入等离子体腔体302内的工作(进料)气体。法拉第屏蔽330还降低了离子能量，以更好地控制材料沉积。在一个或更多个实施例中，电感天线312、等离子体腔体302和法拉第屏蔽330形成等离子体产生单元，该等离子体产生单元被配置为产生并维持用于形成由等离子体离子源300产生的准中性等离子体离子束的高密度等离子体放电316。在一个或更多个实施例中，法拉第屏蔽330包括具有高导电性和导热性的金属(例如，铝或铜)。

高密度等离子体放电316由电感天线312产生，并在相对靠近天线处存在。余辉等离子体332设置在电感天线312和引出栅格334之间。余辉等离子体332包括来自由电感天线312产生的高密度等离子体放电316的较低浓度的电子和离子。在一个或更多个实施例中，引出栅格334包括导电材料的单个栅格或网格，其中具有被配置为使能够引出准中性等离子体束的孔径或开口(例如，孔、狭缝等)。本发明的实施例设想了各种导电(例如，金属)材料，包括例如钨、钼、石墨、钛及其合金。与多个引出栅格相反，使用单个引出栅格334有利地消除了对引出栅格彼此的精确对准的需要，而这是常规所需要的。

在优选实施例中，引出栅格334以与图2所示的栅格引出组件208一致的方式成形。具体地，在一个或更多个实施例中，引出栅格334包括多个导电棒(例如，图2中的210)，其优选地具有低溅射效率。在引出栅格334和等离子体腔体302之间施加的电压电势差控制至少部分地以离子束336的形式离开等离子体离子源200的带电离子的加速。在一个或更多个实施例中，形成引出栅格334的导电棒包括金属材料，例如石墨等。如结合图2所述，导电棒优选地以周期性的间隔沿引出栅格334的开口设置，诸如相邻棒的几何中心之间的间距为约3mm至7mm。然而，应当理解，本发明的实施例不限于任何特定的导电材料或引出栅格334的配置。

引出栅格334通过栅格组件338固定在适当位置。在一个或更多个实施例中，栅格组件338被配置为“相框”，其中引出栅格334设置在框的内部，并且例如使用标准附接装置附接(affix)在真空腔门326上。包含在余辉等离子体332中的离子和电子通过引出栅格334加速，该引出栅格334电连接到真空腔(未示出)并接地(优选地接地)。如前所述，以“偏置”等离子体腔体302和电接地引出栅格334之间的规定的电势差偏置离子和电子，从而产生准中性等离子体离子束336作为用于IBACVD应用中的等离子体离子源300的输出。

如先前所解释的，等离子体腔体302与真空腔电隔离，真空腔电接地，优选地接到地电势。等离子体腔体302的内部配置为具有相对于引出栅格334的表面面积较大的表面面积，所述引出栅格通过其机械附接到真空腔体而电接地。在一个或更多个实施例中，等离子体腔体302的内表面面积的表面面积比约为引出栅格334的表面面积的1.5至5倍，优选地为至少为3至5倍。当满足该表面面积比时，当RF电压施加到等离子体腔体302上时，在等离子体腔体302上产生正极性自偏压。

如本文中将进一步详细的描述，在一个或更多个实施例中，施加至电感天线312的RF电压的一部分经由可变电容器而电容性地耦合至等离子体腔体302，该可变电容器具有优选地在约5pF至1000pF的范围内的电容。此布置提供成本有效的方法以施加RF电压至等离子体腔体302，以提供对相对于具有单一RF电源或发生器的接地引出栅格334的等离子体电势的选择性控制。正极性自偏压有利地排斥由RF感应放电316产生的正离子，以免溅射到等离子体腔体302的内表面。此外，感应放电316中的电子通常朝向等离子体腔体302加速；然而，这些电子的一部分被加速远离等离子体腔体302且加速至引出栅格334。

根据本发明的各方面，朝向栅格334加速的电子的足够部分被引出以补偿或中和正空间电荷，所述正空间电荷由沿着引出栅格组件的整个长度引出的正离子产生。因此，产生高电流密度、准中性、线性和大面积离子束作为等离子体离子源300的输出。本发明的各方面提供了同时的且伴随的平衡电荷密度的电子和正离子的引出，以防止在地表面、固定装置和基底上的空间电荷相关的电弧放电。

通常，需要点-电子中和器(例如，热离子灯丝、中空阴极或等离子体电桥中和器)来中和空间电荷，点-电子中和器通常设置在等离子体或离子源附近。虽然这种方法对于小面积基底可能是足够的，但是在大面积基底上使用这种常规的方法难以实现均匀的空间电荷中和。因此，所得到的离子束会不期望地呈现不均匀的离子电流密度，这会导致不均匀的表面处理和整个基底上差的膜质量。此外，会发生局部空间电荷起拱，这会损坏基底、真空硬件和等离子体离子源。

图4是根据本发明的实施例描绘的具有增强的热管理的说明性等离子体离子源400的至少一部分的截面图。具体地，等离子体离子源400包括等离子体腔体402，所述等离子体腔体402包括集成到等离子体腔体的一个或更多个相应侧壁中的一个或更多个冷却通道404。冷却通道404适于从等离子体离子源400中移除热量，例如通过使液体(例如水)或气体(例如空气)循环通过冷却通道。将冷却通道集成至等离子体腔体402中，消除了对设置在等离子体腔体外部的冷却通道的需要(例如图3中的304)。使冷却通道404与等离子体腔体402一体形成使得等离子体离子源400能够实现与图3中所示的布置相比更优的热管理和冷却效率。在一个或更多个实施例中，将水作为通过冷却通道404传送的冷却液体，尽管如本领域技术人员所知道的那样，同样也可以考虑其他冷却液体。

等离子体离子源400还包括引出栅格406，其可以以与图3所示的引出栅格334一致的方式形成。为了改善引出栅格406的热冷却，将引出栅格组件408设置在具有集成冷却通道322的等离子体腔真空配合法兰320和真空腔(优选地具有集成冷却通道328的真空腔门326)之间，以便于装置的维护。所述引出栅格组件408可以以与结合图3描述的栅格组件338一致的方式形成。

在等离子体离子源400中，与图3所示的示例性等离子体离子源300相比，至少部分由于引出栅格组件408的改进布置，改善了来自引出栅格406的热的热传导。具体地，栅格组件408设置在两个冷却元件之间；即真空配合法兰320和真空腔门326之间，两者分别具有集成的冷却通道322和328。如在图3所示的等离子体离子源300，图4中所示的等离子体离子源400包括布置在真空配合法兰320和栅格组件408之间的介电真空断路器324，用于将等离子体腔体402与真空腔门326和真空腔(未明确示出，但隐含)电隔离。

在等离子体离子束(例如，图3中的336)的引出期间，电阻加热引出栅格(例如，图4中的406和图3中的334)。引出栅格406、334的加热可导致热降解和机械弯曲，这可降低等离子体离子源的可用寿命。因此，改善引出栅格406的冷却有利于使等离子体离子源400能够在增加的RF功率电平下操作，以实现更高的涂层沉积速率，以及其它重要的益处。在本发明的一个或更多个实施例中，在栅格组件408中提供真空密封件。所公开的实施例的优点在于，包含栅格组件408及引出栅格406的等离子体离子源400是一体式集成以促进容易地安装到真空腔门326。

图5是根据本发明的实施例描绘的具有磁性增强的说明性等离子体离子源500的至少一部分的截面图。等离子体离子源500以与图4所示的示例性等离子体离子源400一致的方式配置，但是包括磁性增强特征，该磁性增强特征使得等离子体离子源500能够实现对沉积加工更好的控制，并且因此代表对等离子体离子源400的改进。具体地，在一个或更多个实施例中，等离子体离子源500包括围绕等离子体腔体402设置的电磁体502，以在等离子体离子源500的内部产生磁场。磁场线504延伸出等离子体腔体402并通过引出栅格406离开；还示出了磁场506的包络。在其它实施例中，可以采用永磁体阵列或电磁体和/或永磁体的组合。

由电磁体/永磁体阵列502产生的磁场提供由电感天线312产生的等离子体放电316的等离子体密度的增加。在等离子体放电316中产生的电子不能穿过磁场线504，相反，电子围绕并沿着磁场线504旋转。电子沿着磁场线504从等离子体放电316到余辉等离子体332以摆线轨迹移动，然后穿过引出栅格406以形成由等离子体离子源500产生的等离子体离子束338。电子的摆线运动的一个结果是电子与通过一个或更多个进料气体入口310注入到等离子体腔体402中的进料气体有较长路径长度来进行相互作用。电子的较长路径长度提供增加电子与进料气体分子碰撞及电离和/或激发进料气体分子的概率。这些碰撞导致在感应等离子体放电316、余辉等离子体332和等离子体离子束338中的较高等离子体密度。因此，与本发明的先前公开的实施例相比，等离子体离子源500有利地适于使用较低的RF功率电平来产生较高的离子电流密度。较高的离子电流密度可提供较高的沉积速率。除了降低RF功率消耗之外，具有磁性增强的等离子体离子源500能够实现降低的偏置功率、降低的进料气体和前体气体消耗以及其它益处。

现在参考图6，根据本发明的实施例概念性地描述了包括线性RF驱动等离子体离子源602的说明性线性涂覆器或箱式涂覆器系统600的至少一部分的框图。等离子体离子源602可以分别以与图3、4或5中描述的示例性等离子体离子源300、400或500中的任何一个一致的方式形成。等离子体离子源602包括等离子体腔体604，所述等离子体腔体604利用介电真空断路器配合法兰608或可替代的隔离装置与真空腔606电隔离。在一个或更多个实施例中，介电真空断路器配合法兰608包括电绝缘材料，所述电绝缘材料诸如但不限于聚合物、陶瓷、玻璃或其它介电材料，其优选地是真空密封的、可机械加工的和机械刚性的材料。在一个或更多个实施例中，介电真空断路器配合法兰608包括高温热塑性材料。介电真空断路器配合法兰608可以以与图3和图4中所示的介电真空断路器324一致的方式形成。

等离子体离子源602还包括电感天线610，所述电感天线610被配置为当RF信号被施加到天线时，向等离子体腔体604的内部提供电磁能量源。天线610优选地使用合适的固定装置悬挂在等离子体腔体604内，并且以与结合图3描述的电感天线312一致的方式形成。具体地，天线610优选地包括多个导线或导管的绕组(即，匝)。在一个或更多个实施例中，电感天线610的绕组由中空铜导管形成，冷却的液体(例如，水)通过该铜导管，从而将热量从天线转移出去。在一个或更多个实施例中，电感天线610与等离子体腔体604电隔离。

在一个或更多个实施例中，使用具有高温含氟聚合物O形环(未明确示出，但隐含)等的相应真空密封件614，从电感天线610引出的铜管引线612通过等离子体腔体604伸出。优选地使用绝缘聚合物导管(未明确示出，但隐含)来将冷却液体连接到天线导管引线612，以保持等离子体腔体604与电感天线610的电隔离。天线导管引线612和外部RF发生器618之间的电连接616包括例如铜带、同轴电缆或其它连接装置。匹配网络(未明确示出)可选地与RF发生器618耦合，并且包括电容元件，该电容元件被配置为改善RF功率从RF发生器到电感天线610的传递以及在等离子体腔体604内产生的等离子体放电。

在一个或更多个实施例中，由RF发生器618传送到天线610的功率的一部分被用于(例如，分接)偏置等离子体离子源602。在此实施例中，通过将偏压直接施加到等离子体腔体604来对等离子体离子源602进行偏置。为了实现这一点，RF分压器620优选地经由耦合在RF分压器与等离子体腔体之间的偏置混合器622连接在RF发生器618与等离子体腔体604之间。RF分压器620优选地使用屏蔽同轴连接624或类似的连接布置电连接到RF发生器618，RF分压器620使用屏蔽同轴电缆626或替代的连接布置电连接到偏置混合器622，并且偏置混合器622优选地使用屏蔽同轴电缆628等电连接到等离子体腔体604。尽管本发明的实施例考虑了在各种RF部件之间使用非屏蔽连接(例如，铜带)，但是使用屏蔽连接对于减少由从非屏蔽连接发出的RF辐射所引起的电磁干扰是优选的。在一个或更多个实施例中，RF分压器620包括高压电容元件，优选地在大约3-5kV的电压范围内操作，其中电容可从约10-1000pF变化。如相关领域的技术人员将了解，可类似地设想替代的分压器架构。

在一个或更多个实施例中，偏置混合器622包含滤波和衰减低电感RF电路，其被配置为将从RF分压器620输出的RF电压的一部分与由与偏置混合器耦合的偏置电源630递送的偏置电压结合。偏置电源630使用屏蔽同轴电缆632或可替代的连接布置与偏置混合器622电连接。从偏置混合器622输出的混合偏置电压提供了来自由电感天线610产生的进料气体等离子体放电的离子和电子的加速。通过气体歧管634或布置(例如，一个或更多个气体入口)将进料气体引入等离子体腔体604。在一个或更多个实施例中，偏置电压可以在0-600V之间调整，但应了解，本发明的实施例不限于任何特定偏置电压。在一个或更多个实施例中，由偏置电源630产生的电压信号可以包括恒定的DC电压，或者包括变化的DC电压，如本文先前描述的脉冲DC信号。

根据本发明的一个或更多个方面，产生的等离子体离子束的离子流(即，离子电流密度)和离子能量是不同的并且被独立地控制。例如，离子流主要依靠通过分压器620从电感天线610耦合的RF电压，而离子能量主要依靠由偏置电源630产生的偏置电压。这两个电压部件使用偏置混合器622唯一地组合，并被供应到等离子体腔体604。

由等离子体离子源602产生的准中性离子束636包括高能正离子、激发的中性气体粒子和来自由电感天线610产生的进料气体等离子体放电的电子。正离子被引出栅格组件638加速，进入等离子体离子源600和将要以致密薄膜涂覆的基底640之间的区域，该引出栅格组件优选地以与图3所示的引出栅格334或图4和5所示的406一致的方式形成。在一个或更多个实施例中，等离子体离子束636与通过单独的前体气体歧管644引入的前体气体642相互作用，该前体气体歧管644邻近待涂覆的基底640表面设置且位于该表面的前方。等离子体离子束636在前体气体642中引发并驱动非热的等离子体化学反应，导致在基底640表面的薄膜涂层的形成。

在本发明的一个或更多个方面中，对标准等离子体离子源的一个改进是沉积致密固体薄膜材料(例如类金刚石碳(DLC)和类金刚石纳米复合材料(DLN))而无需向基底640施加附加的偏置电压的能力。本发明的实施例应用于大面积基底具有许多益处和应用，这对于本领域技术人员在本文给定的教导下将变得显而易见。可以使用各种各样的基底材料，包括具有低熔化温度的聚合物，根据本发明的各方面的IBACVD方法在不需要补充加热的情况下有益地执行。

根据本发明的各方面形成的等离子体离子源具有许多益处和应用。例如，从根据本发明的实施例的等离子体离子源发出的等离子体离子束沿着其引出栅格(例如，图6中的638)的长度被自我中和，由此消除了对来自单独的源(例如，热离子灯丝、中空阴极或等离子体电桥中和器)的电子中和的需要。由于使用RF驱动的电感放电，产生了具有高离子密度(例如，大于约10¹¹cm^-3)的致密等离子体，其在等离子体离子源的长度上趋于均匀。该特征对于所有需要沉积、表面处理或其它用途的均匀的应用都是重要的。0.5米或更大的基底宽度可以被均匀地涂覆或处理。

在操作期间，如前所述，离子电流密度和离子能量均匀穿过基底的宽度，并且可以相对于彼此独立地控制。因此，根据本发明实施例的等离子体离子源趋于有利地呈现宽加工窗口。等离子体离子源还在宽加工压力窗口上操作，优选地，但不限于，约5毫托至30毫托。该压力范围类似于溅射源，其便于用多个加工将本发明的等离子体离子源与生产直列、批量和网格涂覆真空系统集成。

电绝缘IBACVD膜(诸如DLC或DLN等)的连续沉积，可以随时间引起等离子体离子源的关闭、加工参数漂移、操作不稳定或电弧。根据本发明的各方面，引出栅格组件(例如，图4和5中的406)通过对前体气体分子呈现限制性的传导来减少沉积绝缘膜的可凝结的前体到等离子体离子源中的流动。另外，施加到等离子体离子源的RF偏置可以在沉积期间变化，以控制等离子体离子源的操作中的不利改变，该不利改变至少部分地是由于等离子体离子源内部的绝缘膜的沉积引起的。这种控制特征提供了有益的方式来维持等离子体离子源的可重复且一致的操作，并延长了定期和不定期的维修活动。独立控制离子能量以促进IBACVD加工的有益和有用的能力对各种工业应用(例如用于在具有触摸屏显示器的设备中所采用的保护玻璃的硬抗反射膜等)的大量制造是有利的，IBACVD加工提供具有优良光学性能、机械鲁棒性和环境耐用性而不需要基底偏置的致密固体介电膜。

实施例1

仅作为示例而非限制，以下将更详细地描述使用图3中所示的示例性等离子体离子源300在玻璃基底的顶部表面上形成的DLC涂层。对于该示例，假设等离子体离子源300具有约635mm的总长度和约178mm的宽度；引出栅格334和玻璃基底的顶部表面之间的距离固定在大约172mm。氩气进料气体通过陶瓷多孔的氧化铝进料导管310以约80标准立方厘米每分钟(sccm)的速率供应至等离子体离子源300。前体气体通过长度约为483mm的前体气体进料导管被供应到真空腔，该进料导管被设置在长度约为431mm、宽度约为305mm的固定的非磁性不锈钢基底支架附近。前体气体进料导管被布置在距离基底支架的顶部表面的前面约83mm处，并且被设置在距离等离子体离子源300的引出栅格334的前面约171mm处；前体气体是100％丁烷。

等离子体离子源的引出栅格包括具有直径约为3mm且长度约为228mm的石墨棒(例如，图2中的210)；引出栅格阵列具有约506mm的总长度。其上形成DLC涂层的基底是包括光学硅酸硼冕玻璃(BK-7玻璃)的显微镜载玻片。基底被固定在具有聚酰亚胺胶带的基底支架上。基底支架电接地。所使用的RF发生器(例如，图6中的618)是由柯林斯堡先进能源(Advanced Energy of Fort Collins)，CO(先进能源石(Advanced Energy

)RPS1501)制造的远程等离子体源(RPS)2MHz RF发生器。所使用的偏压电源(例如，图6中的630)是由先进能源(先进能源高峰+(Advanced Energy

Plus+))制造的脉冲DC电源，其被配置为具有正极性输出并且具有大约5-350kHz的输出频率范围。示例性涂覆加工的结果示于表1中。

表1

从表1可以看出，DLC薄膜涂层在固定的玻璃基底上沉积60分钟，以产生2,896埃厚的DLC薄膜。通过使新的剃刀刀片经过顶部表面并用光学显微镜检查该表面来定性地评价DLC薄膜的抗刮擦性。在检查期间膜表面没有显示出划痕。而且，DLC薄膜的粘附性通过将遮蔽胶带施加到玻璃基底的表面、撕下遮蔽胶带、并在光学显微镜中检查来定性地评价。在检查已施加遮蔽胶带的表面时，没有膜被除去。

虽然已经参照上述具体操作参数和细节描述了该示例性实施例，但是应当理解，本发明的实施例不限于所阐述的具体参数和细节，而是包括在给定本文的教导下对于本领域技术人员而言可能变得显而易见的各种改变和变型。

实施例2

图7是根据本发明的说明性实施例的曲线图700，该曲线图700描绘了偏置电压和偏置电压的脉冲频率对从图6所示的示例性等离子体离子源602引出的离子电流密度的影响。由图7所示的曲线图700所表示的结果是使用设置在引出栅格组件(图6中的638)的下游、在基底(图6中的640)前面大约四英寸的距离处的法拉第杯探测器而获得的。法拉第杯测量从等离子体离子源(图6中的602)引出的离子电流密度(单位：μA/cm²)。如图7的曲线图700所示，针对对于偏置电源(图6中的630)的多个不同脉冲频率(单位：KHz)(即300KHz、200KHz、100KHz、50KHz和0KHz(即DC))的偏置电压电平(单位：伏特)绘制测量的离子电流密度。在该示例中，等离子体离子源602用氩气作为进料气体来操作，该进料气体通过气体进料导管634(图6)输送。RF发生器618(例如，先进能源石(Advanced Energy

)RPS1501)向电感天线610(图6)输送1,000瓦。由法拉第杯探测器收集的离子电流密度用设置在真空腔外部的电流表记录。

图7所示的示例性结果示出，离子电流密度可以通过偏置电压的应用而改变，并且该偏置电压在约0KHz(即DC)至300KHz的频率范围内，在约100伏至300伏的范围内或多或少是线性的。对本领域技术人员来说，这些发现证明了根据本发明的实施例调整由等离子体离子源产生的离子能量的能力，以便不需要在基底上的次级偏置的情况下调整膜特性。

实施例3

图8是根据本发明的说明性实施例的描述偏置电压对来自图6所示的示例性等离子体离子源602的离子能量的影响的曲线图800。由图8所示的曲线图800所表示的离子能量分布(dI/dE)结果是通过使用设置在引出栅格组件(图6中的638)的下游、基底(图6中的640)的前面的缓速场能量分析仪(RFEA)(例如由爱尔兰都柏林阻抗有限公司(ImpedansLtd.of Dublin,Ireland)制造)测量离子能量(单位：eV)而获得的。等离子体离子源602(图6)在15mTorr的操作压力下以80sccm的氩气进料气体流速操作，并用500瓦的RF功率施加到电感天线610(图6)。

当没有偏置电压施加到等离子体腔体604(图6)时，测量到约45eV的平均离子能量，并且离子能量分布由图8所示的波形802表示。在从偏置电源630(图6)应用100伏的偏置电压之后，如图8中所示的离子能量分布波形804所指示的，通过RFEA测量的平均离子能量约为153eV。如图8中所示的离子能量分布波形806所示，偏置电源630(图6)增加到150伏特的偏置电压，测量到的平均离子能量大约为216eV。

图8所示的信息证实了本发明通过本公开描述的方法选择性地控制离子能量的能力。具体地，如离子能量分布波形802所示，在不应用偏置电压(在图8中表示为“无偏置”)的情况下，测量的平均离子能量约为45eV。如离子能量波形804所示，在应用100V偏置电压的情况下，平均离子能量从约45eV增加到153eV。100V偏置和无偏置(0V)的平均离子能量之间的净差为约108eV，其基本上等于施加的100V的偏置电压。如离子能量分布波形806所示，对于150V偏置电压的情况，测量的平均离子能量为约216eV。150V偏置和无偏置(0V)之间的净差为171eV，其大致等于150eV。本发明的实施例优于常规离子源的优点是能够可控地调整所引出离子的平均离子能量的能力，而不需要辅助中和器或更复杂且昂贵的多栅格引出系统。

根据目前为止的讨论，将理解，根据本发明的实施例的示例性等离子体离子源包括与真空腔电隔离的等离子体腔体，等离子体腔体附接到该真空腔。等离子体腔体用作等离子体离子源的电极，并且适于接收施加到其上的偏置电压。电感天线设置在等离子体腔体的内部中且配置为向等离子体腔体的内部提供电磁能量源。天线根据提供给天线的RF电压维持限制在其中的等离子体放电。施加至等离子体腔体的偏置电压向等离子体放电中的带电物质提供静电势。等离子体离子源还包括设置在等离子体腔体的与电感天线相对的端部的引出栅格。引出栅格处于与真空腔相同的电压电势。引出栅格与等离子体腔体之间的电势差配置为加速等离子体放电中的带电物质离开引出栅格，以由此产生输出准中性等离子体离子束。施加至等离子体腔体的偏置电压包括与脉冲DC电压结合的供应至天线的RF电压的部分。

根据目前为止的讨论，还将理解，根据本发明的实施例，提供了用于产生线性高能等离子体离子束以在大面积基底表面上沉积薄膜涂层的方法。该方法包括提供等离子体离子源，该等离子体离子源包括：等离子体腔体、电感天线和引出栅格，所述等离子体腔体与等离子体腔体所附接的真空腔电隔离，等离子体腔体用作等离子体离子源的电极且适于接收施加到其上的偏置电压；所述电感天线设置在等离子体腔体的内部且配置为向等离子体腔体的内部提供电磁能量源，天线维持约束在其中的等离子体放电，施加到等离子体腔体的偏置电压向等离子体放电中的带电物质提供静电势；所述引出栅格设置在等离子体腔体的与电感天线相对的端部，引出栅格处于与真空腔相同的电压电势，引出栅格与等离子体腔体之间的电势差配置为加速等离子体放电中的带电物质离开引出栅格以产生输出准中性等离子体离子束。该方法还包括将RF电压施加至电感天线，等离子体放电根据RF电压的电平而产生，通过将供应至电感天线的RF电压的部分与脉冲DC电压结合而产生施加至等离子体腔体的偏置电压，以及独立地控制等离子体离子束的离子电流密度和离子能量。离子电流密度根据施加到电感天线的RF电压的电平来控制，并且离子能量根据脉冲DC电压的电平来控制。

根据目前为止的讨论，还将理解，根据本发明的实施例，通过PECVD在大面积上沉积薄膜涂层的装置包括线性高能等离子体离子源、与等离子体离子源耦合的RF发生器、与等离子体离子源耦合的偏置混合器、与偏置混合器耦合的偏置电源、以及设置在等离子体离子源和待涂覆的基底表面之间的前体气体歧管。

等离子体离子源包括与真空腔电隔离的等离子体腔体，等离子体腔体附接到该真空腔，等离子体腔体用作等离子体离子源的电极并且适于接收施加到其上的偏置电压。电感天线设置在等离子体腔体的内部，且配置为向等离子体腔体的内部供应电磁能量源，天线依据供应到天线的RF电压来维持限制在其中的等离子体放电。施加至等离子体腔体的偏置电压将静电势供应至等离子体放电中的带电物质。等离子体离子源还包括引出栅格，所述引出栅格设置在等离子体腔体的与电感天线相对的端部，引出栅格处于与真空腔相同的电压电势。引出栅格与等离子体腔体之间的电势差配置为加速等离子体放电中的带电物质离开引出栅格，以因此产生准中性等离子体离子束。

装置中的RF发生器配置为生成供应到电感天线的RF电压。该装置中的偏置混合器配置为将供应至电感天线的RF电压的部分与脉冲DC电压结合，以产生施加至等离子体腔体的偏置电压。装置中的偏置电源被配置为生成供应给偏置混合器的脉冲DC电压。装置中的前体气体歧管适于接收供应到该装置的前体气体，该前体气体与等离子体离子束相互作用以在基底表面上沉积薄膜涂层。

本文描述的本发明的实施例的说明意在提供对各个实施例的一般理解，并且它们不意在用作可能利用本文描述的技术的装置、方法和系统的所有元件和特征的完整描述。根据本文的教导，许多其它实施例对于本领域技术人员将变得显而易见；利用本文并从其推导出的其它实施例，使得可在不脱离本公开的范围和精神的情况下进行结构和逻辑的替换和改变。附图也仅仅是代表性的，并且未按比例绘制。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

本发明的实施例在此单独地和/或共同地由术语“实施例”来表示，这仅仅是为了方便，如果实际上示出了一个以上的实施例，并不是要将本申请的范围限制到任何单个实施例或发明概念中。因此，尽管在此已经示出和描述了特定实施例，但是应当理解，实现相同目的布置可以代替所示的特定实施例；也就是说，本公开意在覆盖各种实施例的任何和所有的修改或变化。在本文的教导下，上述实施例和其他没有在本文中明确描述的实施例的组合对本领域技术人员将变得显而易见。

本文所用的术语仅是为了描述特定实施例，而不是要限制本发明。如本文所用，单数形式的“一个”和“这个”意在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还将理解，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时说明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其它特征、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或添加。诸如“上面”、“顶部”、“下面”、“底部”、“前”和“后”等的术语在使用时意在指示当这些元件以特定方式定向时，元件或结构相对于彼此的相对位置，与限定元件的绝对位置相反。

如可以使用的，权利要求中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物意在包括用于与如具体要求保护的其它要求保护的元件组合执行功能的任何结构、材料或动作。为了说明和描述的目的已经呈现了对各个实施例的描述，但是不意在详尽的或限于所公开的形式。在不背离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和改变对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理和实际应用，并且使本领域的其他普通技术人员能够理解具有各种修改的各个实施例，这些修改适合于所设想的特定用途。

提供符合37C.F.R.§1.72(b)的摘要，37C.F.R.§1.72(b)要求将允许读者快速确定技术公开的性质的摘要。应当理解，它不是用于解释或限制权利要求的范围或含义。另外，在前述详细说明中，可以看出，为了使本公开流畅，将各种特征一起分组在单个实施例中。这种公开的方法不应被解释为反映所要求保护的实施例需要比每个权利要求中明确记载的特征更多的特征的意图。相反，如所附权利要求所反映的，发明主题在于少于单个实施例的所有特征。因此，以下权利要求由此被并入到详细说明中，其中每个权利要求独立地作为单独要求保护的主题。

在给定本文提供的本发明的实施例的教导下，本领域的普通技术人员将能够设想本发明的实施例的技术的其他实施和应用。尽管本文已经参考附图描述了本发明的说明性实施例，但是应当理解，本发明的实施例不限于本文示出和描述的那些精确实施例，并且在不脱离所附权利要求的范围的情况下，本领域技术人员可以在其中进行各种其他改变和修改。

Claims

1.一种线性高能等离子体离子源，包括：

等离子体腔体，所述等离子体腔体与所述等离子体腔体所附接的真空腔电隔离，所述等离子体腔体用作所述等离子体离子源的电极且适于接收施加到所述等离子体腔体的偏置电压；

电感天线，所述电感天线设置在所述等离子体腔体的内部中且配置为将电磁能量源供应到所述等离子体腔体的内部，所述天线根据供应到所述天线的射频(RF)电压而维持限制在所述电感天线中的等离子体放电，施加到所述等离子体腔体的所述偏置电压将静电势供应到所述等离子体放电中的带电物质；以及

引出栅格，所述引出栅格设置在所述等离子体腔体的与所述电感天线相对的端部，所述引出栅格处于与所述真空腔相同的电压电势，所述引出栅格与所述等离子体腔体之间的电势差配置为加速所述等离子体放电中的所述带电物质离开所述引出栅格以产生输出准中性等离子体离子束；

其中施加至所述等离子体腔体的所述偏置电压包括与脉冲直流(DC)电压结合的供应至所述天线的RF电压的部分。

2.根据权利要求1所述的等离子体离子源，其中所述等离子体腔体由导电材料形成，并且成形为中空矩形立方体形状。

3.根据权利要求1所述的等离子体离子源，其中所述等离子体腔体使用设置在所述等离子体腔体与所述真空腔之间的绝缘真空法兰与所述真空腔电隔离。

4.根据权利要求3所述的等离子体离子源，其中所述绝缘真空法兰包括刚性陶瓷材料、刚性聚合材料和刚性玻璃材料中的至少一种。

5.根据权利要求3所述的等离子体离子源，其中所述绝缘真空法兰包括刚性材料，所述刚性材料具有在1.0兆赫下大于3.0的介电常数、具有在1.0兆赫下小于0.0015的RF损耗因子、具有大于150兆帕的压缩应力、以及具有大于10¹⁴欧姆-厘米的体积电阻率。

6.根据权利要求1所述的等离子体离子源，还包括至少一个冷却通道，冷却流体流过所述冷却通道，所述冷却通道设置为与所述等离子体腔体的至少一个侧壁热接触，所述冷却通道适于将热量从所述等离子体腔体传递出去。

7.根据权利要求1所述的等离子体离子源，还包括至少一个冷却通道，冷却气体流过所述冷却通道，所述冷却通道设置为与所述等离子体腔体的至少一个侧壁热接触，所述冷却通道适于将热量从所述等离子体腔体传递出去。

8.根据权利要求6或7所述的等离子体离子源，其中所述至少一个冷却通道是集成到所述等离子体腔体的至少一个侧壁中及固定到所述等离子体腔体的至少一个侧壁的外表面中的至少一个。

9.根据权利要求1所述的等离子体离子源，其中所述引出栅格包括：

多个导电棒；以及

引出栅格组件，所述引出栅格组件中具有开口并且适于支撑所述多个导电棒，所述多个导电棒沿所述引出栅格组件的所述开口分布。

10.根据权利要求9所述的等离子体离子源，其中所述多个导电棒与所述等离子体腔体电隔离。

11.根据权利要求1所述的等离子体离子源，还包括围绕所述电感天线的静电屏蔽，所述静电屏蔽设置在所述电感天线和所述等离子体腔体之间。

12.根据权利要求1所述的等离子体离子源，其中所述电感天线包括多个绕组，所述电感天线具有与所述等离子体腔体的形状匹配的形状。

13.根据权利要求12所述的等离子体离子源，其中，所述电感天线的所述绕组由中空导电材料形成，冷却流体通过所述中空导电材料流动，以将热量从所述电感天线传递走。

14.根据权利要求12所述的等离子体离子源，其中，所述电感天线的所述绕组由中空导电材料形成，冷却气体通过所述中空导电材料流动，以将热量从所述电感天线传递走。

15.根据权利要求12所述的等离子体离子源，其中所述电感天线的所述绕组的第一部分设置在所述等离子体腔体内，并且所述电感天线的所述绕组的第二部分设置在所述等离子体腔体外部，所述等离子体放电被限制在所述绕组的所述第一部分之间的内部空间内，并且其中所述电感天线包括包围所述绕组的至少所述第一部分的电绝缘体，所述绕组的至少所述第一部分暴露于所述等离子体放电，所述电绝缘体保护所述电感天线的所述绕组不受溅射。

16.根据权利要求15所述的等离子体离子源，其中包围所述绕组的至少所述第一部分的所述电绝缘体包括围绕所述电感天线的所述绕组的至少所述第一部分的氧化铝导管。

17.根据权利要求1所述的等离子体离子源，其中所述电感天线与所述等离子体腔体电隔离。

18.根据权利要求1所述的等离子体离子源，还包括与所述等离子体腔体耦合的偏置混合器，所述偏置混合器将供应到所述电感天线的所述RF电压的部分与脉冲直流(DC)电压结合，以产生施加到所述等离子体腔体的所述偏置电压。

19.根据权利要求18所述的等离子体离子源，还包括与所述偏置混合器耦合的分压器，所述分压器被配置为接收施加到所述电感天线的RF电压，并且生成衰减的RF电压，所述衰减的RF电压在与所述脉冲直流(DC)电压结合时形成施加到所述等离子体腔体的偏置电压。

20.根据权利要求19所述的等离子体离子源，其中所述分压器分别使用第一屏蔽连接和第二屏蔽连接与所述偏置混合器和所述电感天线耦合，且所述偏置混合器使用第三屏蔽连接与所述等离子体腔体耦合。

21.根据权利要求18所述的等离子体离子源，其中所述偏置混合器被配置为将供应到所述天线的所述RF电压的部分与所述脉冲直流(DC)电压结合，使得输出准中性等离子体离子束的离子电流密度和离子能量被独立地控制，所述离子电流密度根据供应给所述天线的所述RF电压的部分而被控制，且所述离子能量根据所述脉冲直流(DC)电压而被控制。

22.根据权利要求1所述的等离子体离子源，其中所述引出栅格包括至少一个冷却通道，冷却流体流过所述冷却通道，所述冷却通道适于将热量从所述引出栅及传递出去。

23.根据权利要求1所述的等离子体离子源，其中所述引出栅格包括至少一个冷却通道，冷却气体流过所述冷却通道，所述冷却通道适于将热量从所述引出栅及传递出去。

24.根据权利要求1所述的等离子体离子源，还包括围绕所述等离子体腔体设置的电磁体和永磁体阵列中的至少一个，所述电磁体和所述永磁体阵列中的至少一个在所述等离子体腔体的内部产生磁场，所述磁场增加由所述电感天线产生的所述等离子体放电的等离子体密度。

25.根据权利要求24所述的等离子体离子源，其中，当与前体气体结合使用所述等离子体离子源时，薄膜涂层的沉积速率根据由所述电磁体和所述永磁体阵列中的至少一个产生的所述磁场而被选择性地控制。

26.根据权利要求1所述的等离子体离子源，其中所述等离子体腔体包括至少一个用于将进料气体引入所述等离子体腔体的内部的入口，所述等离子体放电由所述进料气体产生。

27.一种用于通过等离子体增强化学气相沉积在大面积上沉积薄膜涂层的装置，所述装置包括：

线性高能等离子体离子源，所述等离子体离子源包括：

电感天线，所述电感天线设置在所述等离子体腔体的内部且配置为将电磁能量源供应到所述等离子体腔体的内部，所述天线依据供应到所述天线的射频(RF)电压而维持限制在所述天线的等离子体放电，施加到所述等离子体腔体的所述偏置电压将静电势供应到所述等离子体放电中的带电物质；以及

引出栅格，所述引出栅格设置在所述等离子体腔体的与所述电感天线相对的端部，所述引出栅格处于与所述真空腔相同的电压电势，所述引出栅格与所述等离子体腔体之间的电势差配置为加速所述等离子体放电中的所述带电物质离开所述引出栅格以产生准中性等离子体离子束；

RF发生器，所述RF发生器与所述等离子体离子源耦合，所述RF发生器产生供应给所述电感天线的RF电压；

偏置混合器，所述偏置混合器与所述等离子体离子源耦合，所述偏置混合器将供应到所述电感天线的所述RF电压的部分与脉冲直流(DC)电压结合以产生施加到所述等离子体腔体的所述偏置电压；

偏置电源，所述偏置电源与所述偏置混合器耦合，所述偏置电源生成供应给所述偏置混合器的所述脉冲直流(DC)电压；以及

前体气体歧管，所述前体气体歧管设置在所述等离子体离子源与待涂覆的基底表面之间，所述前体气体歧管适于接收供应至所述装置的前体气体，所述前体气体与所述等离子体离子束相互作用以将所述薄膜涂层沉积在所述基底表面上。

28.一种用于产生线性高能等离子体离子束以在大面积基底表面上沉积薄膜涂层的方法，所述方法包括：

提供等离子体离子源，所述等离子体离子源包括：

电感天线，所述电感天线设置在所述等离子体腔体的内部且配置为将电磁能量源供应到所述等离子体腔体的内部，所述天线维持限制在所述天线中的等离子体放电，施加到所述等离子体腔体的所述偏置电压将静电势供应到所述等离子体放电中的带电物质；以及

将射频(RF)电压施加到所述电感天线，所述等离子体放电根据RF电压的电平而产生；

通过将供应至所述电感天线的所述RF电压的部分与脉冲直流(DC)电压结合而产生施加至所述等离子体腔体的所述偏置电压；以及

独立地控制所述等离子体离子束的离子电流密度和离子能量，所述离子电流密度根据施加至所述电感天线的所述RF电压的电平来控制，并且所述离子能量根据所述脉冲直流(DC)电压的电平来控制。