CN1209947C - 等离子体发生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种等离子体发生装置，它包括一个阳极(2)和一个阴极(1)，阴极由宽带隙材料制成或者包括宽带隙材料，阳极为筒形并且相对于阴极轴向分开，围绕阴极有一个绝缘护套(5)。

Description

等离子体发生装置
技术领域
本发明涉及等离子体发生装置。
背景技术
等子体发生装置具有在受控环境内彼此分开设置的阴极和阳极，该受控环境包含处于低压下的一种放电气体或气体混合物。当在两个电极之间施加足够的热量和电压时，气体内形成电子发射，导致放电和辐射。通常，辐射主要在UV(紫外)或VUV(真空紫外)的范围内。
作为等离子体显示领域的已有技术，可以提及的是美国专利US-A-5705886、US-A-5663611和欧洲专利申请EP-A-0764965。
参照图1a，其中所示为已有的等离子体发生装置，具有：一个圆筒状的阳极2、一个阴极1和一个外部螺线管磁性线圈3，附图标记4表示反应气体入口。阴极直接围绕阴极。整个等离子体发生装置被放置在一个封闭容器内。按箭头A方向施加的放电气体或气体混合物选自惰性气体，诸如氩气、氖气和氦气。这个装置的主要缺点是由正的带电粒子的直接撞击造成的阴极的溅射损耗很大，因为阳极很近地围绕着阴极。这个装置与使用阴极作为淀积材料的阴极电弧淀积系统相似。
发明内容
为了减轻因为很靠近施加正偏压的阳极而由带正电离子直接撞击所造成的阴极溅射损耗，本发明进行具体的改进，根据本发明所提供的等离子体发生装置以及所选定的阴极材料，可以降低等离子体发生装置中阴极的电压，并减少由离子轰击而从阴极溅射的材料量，并且由此减轻了放电污染。进一步来说，阴极材料的低溅射损耗可以显著提高阴极的寿命和等离子体的稳定性。
根据本发明的等离子体发生装置使用由宽带隙材料制成的阴极或者包括宽带隙材料的阴极，宽带隙材料具有大于2eV的带隙，诸如掺杂的金刚石、AlN、CaN或AlGaInN合金。对于金刚石，特别合适的掺杂(物)为氮、硫、磷或硼加氮共同掺杂；对于Al、GaN或AlGaInN合金，特别合适的掺杂(物)为硅、锌或硅加锌共同掺杂。这种阴极可以通过例如化学汽相淀积(CVD)、溅射、分子束外延技术或氢化物汽相物理蒸发制造，或者通过其他块状晶体制造技术形成，并且可以使用例如电阻加热或感应加热(交流或射频)直接或间接地加热，以便电子主要通过热离子发射而从阴极发射出来。也可以在阳极和这种阴极之间施加有效的电压，使电子主要通过场致发射而从阴极发射出来。与金属阴极相比，在根据本发明的装置中阴极的离子轰击可以增强电子的二次发射。
与大多烽其他材料相比，金刚石的各种物理特性的幅值几乎总是表现为任一给定特征的已知数值范围的最大值或最小值。作为电子应用的材料，金刚石的功效是从这些最小值和最大值的选择组合得到的。下面的表1列出了选择的与电子应用相关的金刚石特性。CVD金刚石具有几乎与单晶块状金刚石相同的特性，同时显示出从商业角度讲批量制造的潜能，对于电子应用中所使用的金刚石而言，CVD金刚石表现出最大的可能性。
                      表1
     特性     数值            单位
介电常数 5.61
介电强度 1.0×107 V/cm(伏/厘米)
介质损耗 6.0×10-4 切向
折射率 2.4
带隙 5.45 eV(电子伏)
空穴迁移率 1.6×103 cm2/V-sec(厘米2/伏-秒)
空穴速度 1.0×107 cm/sec(厘米/秒)
电子迁移率 2.2×103 cm2/V-sec(厘米2/伏-秒)
电子速度 2.2×107 cm/sec(厘米/秒)
电阻率 1.0×1013 Ω-cm(欧姆-厘米)
热导率 2000 W/m-K(瓦特/米-开)
热膨胀系数 1.1×10-6 /K(/开)
功函数(111)面 -4.5 eV(电子伏)
晶格常数 3.57 埃
金刚石的最令人感兴趣的特性之一是其(111)表面的所谓负电子亲和力(NEA)。低的电子亲和力使得金刚石薄膜能在低至0.5V/μm的场强下发射电子。(111)表面不仅可以呈现NEA，而且它还对由于暴露于原子氧、原子氢、空气或水造成的阴极特性均毒化有极强的抵抗性。金刚石阴极的预期电弧不能破坏其NEA特性。由此(111)取向的金刚石尖端具有低的溅射量和长的发射器件寿命。金刚石是一种间接带隙半导体，其能量最低点沿<111>方向，并且金刚石的发射密度超过大多数半导体的10倍(106A/cm2)。已经确定与(111)面相切射出的电子几乎是单一能量的，并且在真空微电子学领域中这可以很好地用于降低电子束噪声。金刚石中电子和空穴的高电场漂移速度超过其他材料。电子迁移率超过硅，空穴迁移率仅低于锗。基于很高的介电强度、高的热导率、由于其低的辐射俘获截面形成的高的抗辐射性以及很高的载流子速度，其作为高功率、高性能的等离子体发生阴极的有益特征估计可与金属相比或更好。
根据本发明，提供了一种等离子体发生装置，它包括一个阳极和一个阴极，阴极由宽带隙材料制成或者包括宽带隙材料，阳极为筒形并且相对于阴极轴向分开，至少阳极的主要部分不围绕阴极，并且围绕阴极有一个绝缘护套，该装置被放置在一个封闭容器(coating chamber)内。
阳极最好丝毫不围绕阴极。
所述材料的带隙最好大于2eV。
阴极由以下材料制成或者包括以下材料：掺杂的金刚石；CVD掺杂的金刚石；GaN、AlN或AlGaInN合金；掺杂Zn、Si或Zn+Si的GaN、AlN或AlGaInN合金；或者其他掺杂的氮化物、硼化物或氧化物。
阴极可以是由掺杂的宽带隙材料制成的或包括宽带隙材料的独立元件，或者包括一个金属构架和在构架上的一层掺杂的宽带隙材料。金属为耐熔金属或者能为宽带隙材料提供良好粘结性的金属。在这种情况下，宽带隙材料可以包括掺杂的金刚石，金属为钨、钼或钽。
阴极可以呈圆顶形、筒形或帽形。
该等离子体发生装置可以包括一个外部螺线管磁性线圈以及用于供给主要放电气体或气体混合物和辅助反应气体或气体混合物的装置。这种等离子体发生装置还包括一个用于等离子体的磁均化器，以提高等离子体均匀性。
护套是由石英或高温陶瓷材料制成的或者包括石英或高温陶瓷材料。
阴极可以由直流电流直接加热、由感应射频信号直接加热或者由辅助电阻加热器间接加热。
优选当阴极的温度达到电子能够克服宽带隙材料的势垒的水平时，电子就从阴极发射出来，电子发射主要是由于热离子发射，少量的是由于场致发射。
通过在阳极和阴极之间施加有效的偏压，阴极还可以用作场致发射器。
阳极和阴极连接至一个直流电源，用于控制放电电压和电流。
磁均化器可以是位于等离子体出口顶部的圆形多尖端均化器。
根据本发明的等离子体发生装置可以与一个或多个其他的材料蒸发装置结合使用，诸如电子束蒸发装置、热蒸发装置或溅射装置。
下面将参照附图以举例方式描述本发明，附图中：
附图说明
下面将参照附图以举例方式描述本发明，附图中：
图1a和1b是等离子体发生装置的侧视剖面图，其中图1a所示的是已有技术的装置，图1b所示的是本发明的一个例子；
图2a和2b是图1b的装置的阴极的纵向剖视图和横向剖视图；
图3a和3b、4a和4b以及5a和5b是图1b的装置的变换的阴极的纵向剖视图和横向剖视图；
图6是一个多尖端磁均化器的顶视剖面图，这个磁均化器设置在图1b的装置的基板和阳极之间。
具体实施方式
参照图1b，其中显示出根据本发明的一个例子的等离子体发生装置，该装置具有一个圆筒状的阳极2、一个阴极1和一个外部螺线管磁性线圈3。阳极相对于阴极在轴向分开，如图所示，通过一个由石英或高温陶瓷材料制成的绝缘护套5，阳极被设置于阴极的上方(并且阳极没有围绕阴极的部分)。整个等离子体发生装置被放置在一个封闭容器内。阴极可以由直流电流或感应射频信号直接地加热，或者使用辅助电阻加热器间接地加热。当阴极的温度达到电子能够克服宽带隙材料的势垒的水平时，电子就从阴极发射出来，电子发射主要是由于热离子发射，少量的是由于场致发射。通过在阳极和阴极之间仅施加有效的偏压，阴极1还可以用作场致发生器。按箭头A方向施加的主要放电气体或气体混合物选自惰性气体，诸如氩气、氖气和氦气，气体压强大于1乇，并且优选在约10-6乇和20乇之间。电极1和2连接至一个直流电源，用于控制放电电压和电流。通过线圈3和阳极2中的孔10和11，可以在箭头B的方向上提供辅助放电气体或气体混合物，辅助放电气体或气体混合物选自惰性气体，诸如氩气、氖气和氦气。
图1b中的结构是借助于阳极2和护套5进行改进的，用以减轻因为很靠近加正偏压的阳极2而由正的带电粒子对阴极1造成的直接撞击。然而，螺线管磁性线圈3仍然将有效地作用于从阴极1发射出来的电子，并且从阴极1向上流动的电离惰性气体还将沿螺旋运动运载电子。反应气体入口4(位于阳极2的顶部)提供反应气体或气体混合物，诸如氧气或氮气，用以与电离的惰性气体或气体混合物和高能电子反应。这种剧烈的离子流动可以用于辅助由第二个源产生的材料的薄膜淀积。圆形的多尖端(multicusp)磁均化器6可以放置在等离子体出口的顶部，以提高等离子体的均匀性。
适于阴极1的宽带隙材料(具有大于2eV的带隙)的一个例子是掺杂的金刚石薄膜，与常规阴极材料相比，阴极的金刚石材料具有很高的二次电子产生率。这意味着在等离子体发生装置中阴极电压降减小了，由此使得能够降低装置总的功率要求。金刚石在化学性质方面也是非常稳定的。这就减少了由于离子轰击而从阴极溅射的材料量，并且由此减轻了放电污染。阴极材料的低的溅射损耗可以显著地提高阴极的寿命和等离子体稳定性。金刚石还具有很高的热导率，这样由间接或直接加热机构产生的热量可以快速地和均匀地传递到整个阴极。
由离子轰击产生的热量也快速地传递到整个阴极。这种高的热导率将在阴极的整个表面上产生均匀得多的电子发射。
参照图2a和2b，由掺杂的宽带隙材料制成的阴极1是圆管形的。阴极沿轴向安装在阳极内，并且它们之间的一个电路径用于施加希望的偏压。图2a和2b中的阴极1也可以由一个金属构架制成。 金属构架上涂覆一层掺杂的宽带隙材料。金属构架可以是弹簧型线圈或编织的金属线。
阴极1可以采取各种其他形式，例如在图3a和3b所示的例子中，阴极为帽形，而在图4a和4b的例子中它是圆顶形。
图5a和5b显示出栅栏形的阴极1，它是由多根矩形柱7的圆形阵列构成。柱之间具有间隙8。电接头固定在阴极柱的顶端和底端。电接头也可以为阴极提供机械支撑。
将能理解的是，阴极的各种其他形状也是可能的，例如，弯曲管或波纹形状。
图6详细地显示出多尖端磁均化器6的结构，该均化器可以放置在等离子体发生装置和基板(substrate)之间。施加多尖端磁场是用于使等离子体分布均匀化。多尖端磁场是由交替极化的磁体9建立的磁场构形，如图6所示，这种磁场构形在多尖端的边缘形成了强磁场，但在内部区域中几乎没有磁场。等离子体中的扩散导致在内部区域中均匀的等离子体分布，但边缘处的强磁场大大地减弱了横向扩散，这就将等离子体约束在多尖端内。使用磁场强度410mT的SmCo磁体和1eV的电子温度的一个例子获得了1m/s量级的垂直于磁场的离子漂移速度。这比无磁场区域中的定向离子速度和漂移速度小四个量级，并且足以有效地保证将等离子体约束在多尖端磁场的内部区域中。三十个SmCo磁体的任何阵列都足以建立22cm直径的多尖端均化器。

Claims (20)

1.一种等离子体发生装置，包括一个阳极和一个阴极，阴极由大于2eV带隙的宽带隙材料制成或者包括大于2eV带隙的宽带隙材料，阳极为筒形并且相对于阴极轴向分开，至少阳极的主要部分不围绕阴极，并且围绕阴极有一个绝缘护套，该装置位于一个封闭容器内。
2.根据权利要求1的装置，其中，阳极丝毫不围绕阴极。
3.根据权利要求1的装置，其中，阴极由以下材料制成或者包括以下材料：掺杂的金刚石；或者CVD掺杂的金刚石；或者GaN、AlN或AlCaInN合金；或者掺杂有Zn、Si或Zn+Si的CaN、AlN或AlGaInN合金；或者其他掺杂的氮化物、硼化物或氧化物。
4.根据权利要求1的装置，其中，阴极是由掺杂的大于2eV带隙的宽带隙材料制成的或包括大于2eV带隙的宽带隙材料的独立元件。
5.根据权利要求1的装置，其中，阴极包括金属构架和在构架上的掺杂的大于2eV带隙的宽带隙材料层。
6.根据权利要求5的装置，其中，金属为耐熔金属或者能为大于2eV带隙的宽带隙材料提供良好粘结性的金属。
7.根据权利要求6的装置，其中，大于2eV带隙的宽带隙材料包括掺杂的金刚石，并且金属为钨、钼或钽。
8.根据权利要求1的装置，其中，阴极为圆顶形。
9.根据权利要求1的装置，其中，阴极为筒形。
10.根据权利要求1的装置，其中，阴极为帽形。
11.根据权利要求1的装置，它包括外部螺线管磁性线圈以及用于供给主要放电气体或气体混合物和辅助反应气体或气体混合物的装置。
12.根据权利要求11的装置，包括用于等离子体的磁均化器，以提高等离子体均匀性。
13.根据权利要求1的装置，其中，护套是由石英或高温陶瓷材料制成的或者包括石英或高温陶瓷材料。
14.根据权利要求1的装置，其中，阴极由直流电流直接加热。
15.根据权利要求1的装置，其中，阴极由感应射频信号直接加热。
16.根据权利要求1的装置，其中，阴极由辅助电阻加热器间接加热。
17.根据权利要求1的装置，其中，阴极用以发射电子，包括主要由热离子发射造成的电子发射以及少量由场致发射造成的电子发射，所述电子发射发生于当阴极的温度达到电子能够克服大于2eV带隙的宽带隙材料的势垒的水平时。
18.根据权利要求1的装置，其中，通过在阳极和阴极之间施加有效的偏压，阴极还可以用作场致发射器。
19.根据权利要求1的装置，其中，阳极和阴极连接至一个直流电源，用于控制放电电压和电流。
20.根据权利要求12的装置，其中，磁均化器是位于等离子体出口顶部的圆形多尖端均化器。
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