TWI240762B - Cathode electrode for plasma sources and plasma source of a vacuum coating device, in particular for the application of coating layers on optical substrates - Google Patents

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1240762 發明説明（ [參考的相關專利申請書] 本專利中請書主張先前在2_年6月8日提出 專利申請書第2000H29/00缺安a /s ▲邮 iuy/ϋθ唬案之優先權，該前案係 在本案内作參考之用。 [發明領域] 本發明是關於用在真空塗覆裝置的電聚源之陰極電 極’特別是關於應用在光學基板的塗覆層的塗佈。 [發明背景] 用以預先清潔基板及/或改善層性f之電㈣，例如， 廢縮欲脫水塗覆或增加附著性的層，現知用於真空下光學 基板的薄層系^，如玻璃。例如，此種真空塗覆裝置說明 於相同申請者的美國專利第4,817,559號案中。 本製程的缺點是用傳統的陰極電極僅可達到中等的電 極放射。此外，二次電子的放射是極微小的。離子撞擊（丨的 bombardment)會侵蝕陰極且受侵蝕的材料相當地污染電漿 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁各攔) 源的内部。而高度的陰極侵蝕亦會大大地減少陰極的使用 壽命和電漿的穩定度。 [發明概述] 線. 本發明的目的是有效地增加用於電漿源之陰極電極的 品質。 根據本發明，這是第一次利用由部份具有儘可能寬之 帶隙的材料組成之陰極電極來完成的。量測其能帶間的帶 P宋至少為3eV。 這是基於固態物理學（solid-state phyicas)的理論，即 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇χ297公釐） 1 91800 1240762

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 電子的狀態是以在結晶固態下被稱為能帶模式（band model)來定義’根據上述，電子’特別是在最外層組織區 域的電子以相對高的導電率來結合成為似連績（容許）帶 (quaSi-C〇ntinUOUS(ailowed)bands)。在其中，兩容許帶間 的區域，即電子被放射的保持區，被稱為不容許帶 (disallowed band)或不容許能區（disall〇wed energy ⑽㈣ 或帶隙（band gap)。 既然這樣，陰極電極用之寬帶隙材料是更適宜摻入， 用以最佳化主要的和二次的電子放射。 在此關係下，主要（電子）放射或主要電子引用傳統的 製程從陰極產生電子放射，例如，經由場放射（field emission)(對所外加電場的反應使電子自陰極被釋放出）或 藉由熱離子放射（thermionic emission)(藉由加熱陰極使電 子放射，導致熱離電子的被釋放。）或經由熱放射（thermal emission)(自同時外加用電場的受熱陰極使電子放射）。 此外，二次（電子）放射或二次的電子與電子自陰極表 面的離開有關，如同被陰極粒子撞擊所觸發一樣，而在此 是藉由來自電漿的離子撞擊。 我們已發現當兩容許能帶間的帶隙增加時，給定一適 當的能源供應下，主要的和二次的電子放射會明顯的增 加0 本發明的另一個實施形態，摻質鑽石是另一個此類可 用以自陰極提昇電子放射的材料，其他的材料包括有氮化 鎵（gallium nitride，· GaN)或氮化鋁（aluminum nitride ; A1N) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁各攔) .線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 2 91800 1240762 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（3 ) 或氮化銘鎵銦（alumium-gallium_indium_nitride，· AlGalnN) 合金。此類電極可透過例如氣相分離（CVD(化學蒸氣沉積） 製程）、濺鍍（sputtering)或磊晶技術（epitaxiai technique# 製造。此種電極可直接透過直流電或感應高頻及間接經由 一次電阻加熱（熱輻射器）來加熱。接著，以低百分比的場 放射，電子自陰極以熱電方式放射。無論如何，在場放射 下’可於陽極和陰極之間藉由運用一充分高的偏壓來提昇 陰極的作用。相對於由金屬氧化物所製的陰極，在這裡， 離子撞擊產生二次電子所需的提昇放射。 ------------··# (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁各攔)

相較於所有其他的材料，在所有已知的評價範圍内， 鑽石的物理性質是較佳的，詳如下表所示。 特性 數值 單位 介電常數 5.61 介電強度 l.Ox 107 V/cm 介電損失 6.Οχ ΙΟ 4 Tangent 折射指數 2.4 帶隙 5.45 eV 電洞遷移率 1·6χ 103 cm2/V-sec 電洞速度 l.Ox 107 cm/sec 電子遷移率 2.2χ 103 cm2/V-sec 電子速度 2.2χ 107 cm/sec 電阻率 1·0χ 1013 ohm-cm 熱傳導率 2000 W/m-K 熱膨脹係數 1·1χ 10·6 /K 功函數（111)面 -4.5 eV 晶格常數 3.57 Angstroms 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公愛） 3 91800 1240762

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 相較於傳統的陰極材料，陰極用的鑽石材料對於二次 電子有非常高的放射功率。鑽石係高度化學穩定。這可減 少因離子撞擊所造成的陰極侵蝕和電漿源的污染。低的陰 極侵蝕亦可有效地改善其使用壽命及電漿的穩定度。再 者，鑽石有高的熱傳導率，因此由間接或直接加熱所產生 的熱可快速且均勻地圍繞整個陰極。 在較佳的實施形態，陰極電極至少可由部分的摻質鑽 石及亦是摻質的GaN或摻質的A1N或摻質AlGalnN合金 所組成。 此外，陰極電極可具有經氣相分離（CVD製程）、濺鑛 或磊晶技術所製且由摻質鑽石、摻質GaN或摻質A1N或摻 質AlGalnN合金所组成之保護層的金屬内層結構。其中， 金屬内層結構較適宜由鎢（tungsten ; W)或鉬 (molybdenum ; Mo)或姐（tantalum ; Ta)所組成。 再者，本發明為有關用於光學基板上塗覆層之塗佈的 真空塗覆裝置之電漿源，具有似夾套的陽極電極、外部的 磁性線圈和陰極電極。 在此情況下’陰極電極至少由一部份其能帶間之帶隙 儘可能寬的材料所組成對本發明而言至為必要。其中，陰 極電極的寬帶隙材料是被摻入做為最佳化主要和二次電子 放射之用。 在這裡，陰極電極至少由部份的摻質鑽石、摻質GaN 或捧質A1N或推質AlGalnN合金所組成。此外，陰極電極 可具有經氣相分離（CVD製程）、濺鍍或磊晶技術所製且由 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁各攔) -裝 -線， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 4 91800 !24〇762 A7 B7 五 x發明説明（ 捧質鑽石、摻質GaN或摻質A1N或摻質AlGalnN合金所 組成之保護層的金屬内層結構。 還有，金屬内層結構較適宜由鎢或鉬或钽所組成。另 外’陰極電極可有圓柱狀、圓錐狀、罩式或圓頂式或栅格 式設計。 [圖式的簡單說明] 本發明之主體的實施形態實例是根據下列所示圖式做 更詳細的說明。 第la和lb圖電漿源之兩種不同的實施形態，用於在 先學基板上做大量的塗覆應用的真空塗覆裝置。 第2到5圖根據第1圖，用於電漿源之陰極電極的不 同實施形態。和 第6圖根據第1圖所用於電漿源的均質化裝置。 [元件符號說明] (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁各攔) 經 濟 部 智 慧 財 產 局 工 消 費 合 A 社 印 製 1 陰極 2 陽極 3 磁性線圈 4 入口 5 耐溫陶瓷 6 圓柱狀主體 7 圓杯狀主體 8 圓頂狀主體 9 圓桿 10 栅袼 11 均質化裝置 [本發明的詳細說明] 第la和lb圖顯示用於大量塗覆光學基板應 塗覆裝置的兩種不同實施形態，其上有圓形橫戴面之 而其外部 91800 的或圓柱狀的陽極2並將内部的陰極1包圍住， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） 訂----1 -線. 1240762 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明説明（ 則圍繞有磁性線圈（電磁）3。 在第la圖中，陽極2直接地將陰極1圍繞住，相對之 下’在第lb圖中，陰極1是被緊鄰於陽極2且由石英或耐 溫陶瓷5所製之隔熱夾套所圍繞。 這樣的電漿源是被配置在一可排放的容器中（未顯 示）。在此情況下，陰極可直接地經由直流電或感應高頻或 間接地經由二次電阻加熱（輻射加熱器）來加熱。接著，在 電子的溫度到達可克服陰極材料能帶的能量差時，電子立 即自陰極被放射出。 電子放射主要地是靠熱電方式和少量百分比的場電子 放射。然而，藉由外加一足夠的高電壓於陽極和陰極間及 在真空腔内充分的低壓（良妤的真空），陰極在場放射下亦 是有效的。 在容器内用以產生電滎之放電氣體或氣體混合物是惰 性氣艟（工作氣體），像是氬（argon; Ar)、氖（116〇11; Ne)、 氦（helium ; He)等等。在此情況下，陽極和陰極與電壓源 相連接來控制電漿的放電電壓和電流。 在第lb圖中，陽極2的結構設計在此是朝減少起因於 過度接近正電陽極之陰極1正電離子的直接衝擊來修改。 磁性線圈3可有效地作動由陰極放射的電子而離子 化放電之氣體則向上流動並自陰極離開帶著電子沿螺旋圖 樣移動。 此外，入口 4提供上述陽極2用以與離子化的惰性氣 體（工作氣體）和高能量的電子反應的反應氣體，例如，氧 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁各攔) -:訂---- 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公 6 91800 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1240762 A7 A7 B7 五、發明説明（7 ) (〇2)或氮（N2)。強烈的離子流可在真空塗覆製程中用以支 撐和改善經磊晶成長層的品質（緊密）。在此情況下，在電 繁出口上方的磁性均質化裝置U可增加電漿的均質性。 根據本發明，陰極電極至少由部份的具有儘可能寬之 帶隙的掺質材料所組成，量測其帶隙至少為3ev並有一特 別寬廣的主要的和二次的電子放射。 一種用於陰極具有可提升電子放射之此類材料，例 如，摻質鑽石。相較於傳統的陰極材料，陰極的鑽石材料 對於二次電子有較高等級的放射功率。這表示陰極放電的 落差被減小，即減少裝置整體功率的要求。另外，鑽石是 相當化學地穩定的，這減少陰極的浸蝕（導因於離子撞擊的 材料浸蝕）及電漿源、放電空間和容器的污染。 低的陰極沖蝕亦有效地改善陰極的使用壽命和電漿的 穩定度。而且，鑽石具有高的熱傳導率，因此經由間接或 直接加熱所產生的熱可快速且均勻地圍繞整個陰極。 經由離子撞擊所產生的熱亦可快速地傳入整個陰極， 其促使整個陰極表面上顯著提升之均勻電子放射。 如同前面所提及的，用氮或硫摻入之摻質鑽石是做為 陰極電極較佳的材料。其中，同時摻入硼和氮也是可行的。 其他的可能是氮摻質結晶的6H-SiC和4 H-SiC(碳化碎）；

GaN、AlN 和 AlGalnN 合金摻入 Zn、Si 或 Zn+Si;還有 BN、 CN、BCN和其他氮摻質氮化物、硼化物和氧化物。 在此情況下，陰極電極可具有經氣相分離（CVD製 程）、濺鍍或磊晶技術所製且由摻質鑽石、摻質GaN或摻 f請先閱讀背面之注意事項再塡寫本頁各攔} •訂---- 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公f ) 7 91800 1240762 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（8 ) 質A1N或掺質AlGalnN合金所組成之保護層的金屬内層結 構。其中，金屬内層結構較適宜由鎢（w)或鉬（M幻或鈕（τ 所組成。 Η 根據第2到第5圖，陰極電極亦可在結構上有所差異。 如依照第2圖的圓柱狀主體6、依照第3圖的圓杯狀主體 7、依照第4圖的圓頂狀主體8或依照第5圖由圓桿9所組 成之栅格ίο。陰極在此與陽極做同軸的配置（如第和第 lb圖）。誠如上述，陰極在這裡可有—金屬的内部結構， 例如，以螺旋線圈製成之框架形狀等。 此外，第6圖顯示在前面第la和第lb圖有較詳細說 明之均質化裝置11，其位於電漿源和欲塗覆基板（未顯示） 之間。在此情況下，藉由多極反向結構來配置磁鐵圍繞電 漿束（plasma beam)而實現強烈的磁場。在此情況下，例如， 藉由釤鈷（SmCo)磁鐵給予一強度41〇mT的磁場和leV的 電子溫度即可產生1 m/s的離子速度以順時針旋轉進入磁 場。 一個像這樣的裝置可由30個上述的SmC〇磁鐵來組成 一直徑約為22cm的均質化裝置。 91800 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁各攔} ·、訂----』 線

Claims (1)

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第901 13444號專利申請案 申請專利範圍修正本 (94年5月13曰） 種用方、光子基板塗覆層塗佈之真空塗覆裝置的電漿 源之陰極電極，其特徵為陰極電極包括由至少具有3eV 能帶間之寬帶隙材料所組成，且該陰極電極之寬帶隙材 料是被摻入，用以最佳化主要和二次電子放射，其中該 陰極電極之寬帶隙材料至少部份由摻質鑽石、摻質_ 或#貝A1N或摻貝A1GaInN合金所組成，纟中該陰極 電極之寬帶隙材料是鑽石摻入氮或硫、鑽石同時摻入娜 和氮或虱摻質結晶的6H_Sic和4H_Sic或是GaN、A⑺ 彳 lGaInN θ 金摻入 Zn、Si 或 Zn + si 或 BN、CN、BCN 和其他氮摻質氮化物、硼化物和氧化物。 |申明專利範圍第1項的陰極電極，其中該陰極電極具 有、、二氣相刀離（CVD製程）、濺鍍或磊晶技術所製且由 推質鑽石、換質GaN或摻質A1N或推質AIGaInN合金 所組成之保護膜層的金屬内層結構。 |3.如申請專利範圍第2項的陰極電極，其中該金屬内層結 構由嫣或鉬或艇所組成。 種真空望覆裝置的電漿源，特別是用於光學基板上塗 覆層之塗佈，具有防護罩式的陽極電極、外部的磁性線 f和fe極電極’其特徵為陰極電極包括由具有能帶間之 見V隙材料所組成，其中該陰極電極的寬帶隙材料是被 摻入用以最佳化主要的和二次的電子放射，且該陰極電 ^標準(⑽^~—— (修正本）91800 1240762 H3 極包括由摻質鑽石、摻質GaN或摻質ain或換質 ?GaInN的合金所組成，其中該陰極電極之寬帶隙材料 疋鑽石摻入氮或硫、鑽石同時摻入硼和氮或氮摻質結晶 的 6H-SiC 和 4H-SiC 或是 GaN、aiN 和 AlGaInN 合金曰 摻入Zn、Si或Zn + Si或BN、CN、BCN和其他氮摻質 氮化物、硼化物和氧化物。 、 5·如申請專利範圍第4項的電漿源，其中該陰極電極具有 一經氣相分離（CVD製程）、濺鍍或磊晶技術所製且由摻 質錢石、摻質GaN或摻質A1N或摻質AlGalnN合金所 組成之保護層的金屬内層結構。 6 ·如申請專利範圍第5項的電漿源，其中該金屬内層結構 由鎢或鉬或鈕所組成。 7 ·如申請專利範圍第5項的電漿源，其中該陰極電極有圓 柱狀、圓錐狀、圓杯狀、罩式或圓頂式或柵袼式設計。 經濟部中央標準局員工福利委員會印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS) A4規格（21〇 X 297公釐） 2 (修正本）91800