用于產(chǎn)生空心陰極電弧放電等離子體的裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生空心陰極電弧放電等離子體的裝置，包括兩個相對布置的空心陰極（11、12），其中空心陰極（11、12）被連接到脈沖發(fā)生器（15）上，所述脈沖發(fā)生器在兩個空心陰極（11、12）之間產(chǎn)生雙極脈沖電壓。在此，兩個空心陰極（11、12）之間的空間沿著延長的空心陰極軸線（13）被擋板（14）包圍并且兩個空心陰極（11、12）至少部分地被擋板（14）包圍，其中擋板面具有至少一個開口（18）。
【專利說明】
用于產(chǎn)生空心陰極電弧放電等離子體的裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種用于在反應(yīng)或不反應(yīng)涂覆應(yīng)用中借助以交變的極性來脈動的空心陰極電弧放電源產(chǎn)生用于真空過程的密集的等離子體的裝置。該裝置除了涂覆靜止的襯底之外特別是還能夠?qū)崿F(xiàn)移動的帶狀的襯底的涂覆。如果在隨后的發(fā)明描述中僅使用概念空心陰極，那么以此總是意指空心陰極電弧放電源的空心陰極。本發(fā)明因此與以下裝置劃清界限，在這些裝置中使用空心陰極輝光放電源。
【背景技術(shù)】
[0002]已知的是，在10—2Pa和I Pa之間的低壓范圍內(nèi)利用空心陰極電弧放電等離子體可以獲得很高的、數(shù)量級為112 Cm—3的載流子密度。如果在層沉積時形成層的顆粒遭受這樣的等離子體，那么可以獲得有利的層特性。
[0003]為此如下裝置是已知的，在這些裝置中蒸汽特別是針對較大的涂覆面積和高的涂覆速率可以通過以下方式有效地被激活，即空心陰極等離子體僅被用于等離子體激活。這些裝置的等離子體放電以直流電來運行。除了空心陰極之外為了生成等離子體所需的陽極在這樣的裝置中部分地與蒸發(fā)設(shè)備耦合(DE 196 12 344 Cl)。蒸發(fā)坩禍或被布置在蒸發(fā)坩禍附近的作為陽極的電極的使用有以下缺點，即裝置的功能能力受限于與導(dǎo)電材料的蒸發(fā)相關(guān)聯(lián)的等離子體激活。
[0004]此外已知的是，借助磁場來引導(dǎo)等離子體。如果通過合適的磁場產(chǎn)生設(shè)備產(chǎn)生縱向的磁場，使得該磁場的一些場力線從空心陰極通向陽極，那么較高能量的輻射電子在其從空心陰極到陽極的路徑上在連接的場力線的范圍內(nèi)保持結(jié)合并且將高密度的等離子體保持在與襯底的一定的間距中(DE 42 35 199 Cl)。在此不利的是，由于較高能量的輻射電子遠離襯底，阻止高的自偏置電位的建立。其它的缺點在于，可應(yīng)用性保持受限于具有昂貴的磁體系統(tǒng)的蒸發(fā)設(shè)備的特別的構(gòu)型。在蒸發(fā)絕緣材料的情況下，為了維持陽極處的導(dǎo)電性附加地需要巨大的有關(guān)儀器的花費。
[0005]DE 195 46 827 Al描述一種用于蒸發(fā)絕緣材料的裝置，在該裝置中環(huán)狀的陽極(所謂的環(huán)形陽極)直接被布置在空心陰極之前，以便僅通過已經(jīng)穿過環(huán)形陽極的開口的輻射電子來產(chǎn)生對于等離子體激活有效的等離子體。在該情況下，沒有干擾性的絕緣層沉積在環(huán)形陽極上，因為該環(huán)形陽極基本上位于蒸汽范圍之外并且該環(huán)形陽極通過撞擊的輻射電子強烈地被加熱。因為蒸汽的等離子體激活的范圍位于在空心陰極和陽極之間所建立的電場之外，然而存在以下缺點，即在等離子體中只可以產(chǎn)生比利用包含空心陰極和陽極之間的要激活的范圍的裝置明顯更低的載流子密度。此外，輻射電子的作用距離限制等離子體的幾何延伸。
[0006]在DE199 02 146 Al中提出，將兩個由先前所提到的文獻已知的產(chǎn)生等離子體的、分別包括空心陰極與所屬的環(huán)形陽極和被連接在其間的直流電壓源的設(shè)備相對地布置并且在兩個空心陰極之間產(chǎn)生雙極中頻脈沖電壓。在該裝置中，由于在空心陰極和環(huán)形陽極之間的直流電壓源，不斷地在產(chǎn)生等離子體的設(shè)備的空心陰極和所屬的環(huán)形陽極之間產(chǎn)生等離子體。在兩個產(chǎn)生等離子體的設(shè)備之一根據(jù)雙極電壓脈沖以陰極被連接的階段中，以陰極被連接的產(chǎn)生等離子體的設(shè)備的等離子體從該設(shè)備的空心陰極被吸引直到相對的產(chǎn)生等離子體的設(shè)備的環(huán)形陽極。以該方式，在兩個環(huán)形陽極之間形成大體積的空心陰極電弧放電等離子體。在這種技術(shù)上要求高的結(jié)構(gòu)的情況下產(chǎn)生不利的影響的是，許多過程參數(shù)必須被調(diào)節(jié)，以便獲得始終不變的等離子體條件。
[0007]由WO2013/091927已知具有兩個空心陰極電弧放電源的產(chǎn)生等離子體的裝置的簡化的結(jié)構(gòu)。在此，放棄在空心陰極和所屬的電極之間使用直流電壓源并且代替于此空心陰極直接或在中間連接限制電流方向的器件的情況下與所屬的電極電連接。在這樣的裝置中也與在其它前述的裝置中一樣不利地產(chǎn)生效果，即空心陰極和所屬的電極在應(yīng)用在蒸發(fā)設(shè)備中的情況下遭受材料蒸汽，這導(dǎo)致所述部件的涂覆，這又可以影響等離子體在涂覆過程的運行中的形成。另一個技術(shù)問題在于，例如在反應(yīng)的蒸汽中利用已知的裝置不能夠單獨地利用等離子體激活反應(yīng)氣體，而在此增加的蒸汽顆粒也不同時一同被激活。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]因此本發(fā)明所基于的技術(shù)問題是，創(chuàng)建一種用于產(chǎn)生空心陰極電弧放電等離子體的裝置，借助該裝置可以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點。特別是應(yīng)該利用該裝置可產(chǎn)生具有高強度的等離子體。該裝置還應(yīng)該實現(xiàn)，保護產(chǎn)生等離子體的部件以免蒸汽顆粒。此外，該裝置還應(yīng)該在蒸發(fā)設(shè)備之內(nèi)實現(xiàn)，單獨地利用等離子體激活反應(yīng)氣體。
[0009]該技術(shù)問題的解決方案通過具有權(quán)利要求1的特征的主題得出。本發(fā)明的其它的有利的改進方案由從屬權(quán)利要求得出。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的裝置包括兩個空心陰極，所述空心陰極的空心陰極管被工作氣體穿流?？招年帢O管的開口隨后被稱為空心陰極的出口或輸出口，其中工作氣體從該空心陰極管流出。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的裝置的兩個空心陰極的輸出口是朝向彼此的。在此，兩個空心陰極可以相對地被布置，使得兩個空心陰極管的延長的管軸線是相同的。替代地，但是兩個空心陰極管的管軸線也可以彼此具有一定偏差或一個角度。
[0012]此外，脈沖發(fā)生器屬于根據(jù)本發(fā)明的裝置，該脈沖發(fā)生器被電連接在兩個空心陰極上并且在兩個空心陰極之間產(chǎn)生雙極脈沖電壓。脈沖在此可以具有IHz到IMHz的范圍內(nèi)的頻率。兩個空心陰極因此分別交替地用作兩個空心陰極之間的空心陰極電弧放電的陰極或陽極。為了在極性變換時禁止在兩個空心陰極之間所產(chǎn)生的等離子體的衰變，極性變換應(yīng)該以至少IkHz的頻率來實施。因此已經(jīng)被證明為有利的是，該脈沖發(fā)生器以IkHz到100kHz的范圍內(nèi)的頻率來運行。
[0013]在根據(jù)本發(fā)明的裝置中，兩個空心陰極之間的空間沿著延長的空心陰極軸線完全被擋板包圍并且兩個空心陰極分別至少部分地被擋板包圍，其中擋板面具有至少一個開口。這樣的管形的擋板優(yōu)選地具有圓形的管橫截面，因為該管橫截面在技術(shù)上能夠最簡單地控制，但是也可以替代地以任意其它管橫截面來構(gòu)造。同樣可以的是，擋板的管橫截面沿著延長的空心陰極軸線以變化的管橫截面來構(gòu)造。如果根據(jù)本發(fā)明的裝置例如是蒸發(fā)設(shè)備的組成部分，則以下的所有材料適合作為這樣的擋板的材料，所述材料與相應(yīng)的蒸發(fā)物質(zhì)不發(fā)生不期望的化學(xué)反應(yīng)并且承受得住蒸發(fā)溫度。因此，例如石墨特別適合作為擋板材料。
[0014]兩個空心陰極在這樣的根據(jù)本發(fā)明的管形的擋板的情況下因此插入到擋板管的端面中并且在擋板管內(nèi)形成空心陰極電弧放電等離子體。通過空心陰極至少部分地被擋板包圍，空心陰極比沒有擋板的裝置的情況下更好地被保護以免蒸汽顆粒。如已經(jīng)描述的那樣，擋板面、即這樣的擋板管的側(cè)面具有至少一個開口，由等離子體激活的顆?？梢酝ㄟ^該開口從擋板體積的內(nèi)部中出來。在本發(fā)明的一種實施方式中，根據(jù)本發(fā)明的管形擋板的端面朝向插入到擋板的端面中的空心陰極密封。這樣的在擋板管的端面處的密封不僅引起被擋板包圍的體積的進一步的隔離，而且同時有助于空心陰極在其位置中地彼此固定。
[0015]利用根據(jù)本發(fā)明的裝置，不僅所蒸發(fā)的材料的蒸汽顆粒、所蒸發(fā)的材料結(jié)合反應(yīng)氣體的蒸汽顆粒而且僅僅反應(yīng)氣體可以通過等離子體來激活。
[0016]如果在蒸發(fā)設(shè)備內(nèi)僅僅反應(yīng)氣體應(yīng)該利用兩個空心陰極的等離子體來激活，則擋板面附加地具有至少一個入口，反應(yīng)氣體通過該入口流進被擋板包圍的體積中。在較長的擋板管的情況下能夠有益的是，在擋板管的長度上分布地構(gòu)造多個反應(yīng)氣體入口。在這樣的實施方式中為了激活反應(yīng)氣體同樣適宜的是，擋板面并非具有僅僅一個、而是多個較小的開口，通過所述開口不僅激活的反應(yīng)氣體顆粒而且空心陰極的工作氣體可以從擋板包圍的體積中出來。因為開口越大，顆粒越可能從擋板管的周圍環(huán)境中通過開口到達被擋板包圍的體積中并且被那里的等離子體激活，因此較小的開口，這在該實施方式中但是應(yīng)該被防止。這樣的開口在擋板面中允許多大，以便根本沒有顆粒能夠從擋板周圍環(huán)境中到達擋板內(nèi)部中或擋板管的周圍環(huán)境中的負面地影響所期望的層特性的顆粒沒有份額能夠到達擋板管的內(nèi)部中，可以在實驗室研究中來確定。
[0017]相反，在本發(fā)明的一種替代的實施方式中有利的是，僅僅一個大的開口或至少僅僅少的大的開口在擋板面中被加上，使得蒸汽顆粒也能夠到達被擋板包圍的體積中或由空心陰極所產(chǎn)生的等離子體也能夠在被擋板包圍的體積之外擴展，其中在該實施方式中所蒸發(fā)的材料顆粒應(yīng)該單獨地或結(jié)合反應(yīng)氣體被加載空心陰極電弧放電等離子體。
【附圖說明】
[0018]隨后借助實施例詳細解釋本發(fā)明。其中:
圖1示出用于激活反應(yīng)氣體的根據(jù)本發(fā)明的裝置的示意性的截面圖；
圖2a示出用于激活蒸汽顆粒的替代的根據(jù)本發(fā)明的裝置的示意性的側(cè)截面圖；
圖213不出圖2a中的管形擋板的俯視的不意圖；
圖3a示出集成在蒸發(fā)容器中的根據(jù)本發(fā)明的裝置的示意性的側(cè)截面圖；
圖3b示出相對于圖3a轉(zhuǎn)動90°的示意性的側(cè)截面圖。
【具體實施方式】
[0019]在圖1中示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的裝置10。裝置10包括兩個空心陰極11和12，所述空心陰極相對地并且以出口朝向彼此地布置。在此，兩個空心陰極管的延長的管軸線13是相同的。具有圓形的管橫截面的由石墨構(gòu)成的管形擋板14不僅沿著延長的管軸線13包圍兩個空心陰極11、12之間的空間而且部分地包圍兩個空心陰極11、12。兩個空心陰極11、12因此插入到擋板管的端面中。管形的擋板14的端面朝向空心陰極11、12利用在圖1中未示出的介質(zhì)來密封。所述介質(zhì)同時引起，空心陰極在擋板管中被固定。兩個空心陰極與擋板管的這樣的已經(jīng)固定的系統(tǒng)可以比兩個單獨的空心陰極更容易地集成在蒸發(fā)腔中，所述兩個單獨的空心陰極必須單獨地被固定在蒸發(fā)腔中并且彼此被對準。
[0020]電源設(shè)備15電連接在兩個空心陰極11、12之間并且提供雙極中頻脈沖電壓以用于產(chǎn)生和維持兩個空心陰極11、12之間的空心陰極電弧放電。兩個空心陰極11、12因此反向地并且交替地用作空心陰極電弧放電的陰極或陽極。在大多應(yīng)用情況下不可以的是，在僅僅兩個商業(yè)通用的空心陰極之間形成穩(wěn)定燃燒的空心陰極電弧放電，因為僅僅利用一個空心陰極管不能從等離子體中抽取為此所需量的電子。因此有利的是，空心陰極具有以下機構(gòu)，利用所述機構(gòu)，空心陰極的在電弧放電中變得有效的表面在其陽極階段中被擴大，以便能夠從等離子體中抽取所需量的電子。裝置10的空心陰極11和12因此具有環(huán)形的由導(dǎo)電材料構(gòu)成的片16，所述片與相應(yīng)的空心陰極電接觸地固定在空心陰極管上。
[0021]管形的擋板14具有兩個入口17，通過所述入口反應(yīng)氣體流入到被管形的擋板14包圍的體積中并且該反應(yīng)氣體在管形的擋板14的內(nèi)部中被那里在兩個空心陰極11、12之間形成的等離子體激活。此外，管形的擋板具有多個開口 18，通過所述開口被等離子體激活的反應(yīng)氣體顆粒與工作氣體同樣地到達管形擋板14的周圍環(huán)境中，其中該工作氣體通過空心陰極11、12流入到被管形擋板14包圍的體積中。
[0022]這樣的裝置10例如可以被布置在蒸發(fā)容器之上的過程腔之內(nèi)并且之后在過程腔內(nèi)提供被等離子體激活的反應(yīng)氣體顆粒，所述反應(yīng)氣體顆粒可以在過程腔內(nèi)與從蒸發(fā)容器中蒸發(fā)的材料顆粒進行反應(yīng)并且最后被沉積在要涂覆的襯底上。在此，小地選擇開口 18的大小，使得流入到擋板管中的反應(yīng)氣體和工作氣體在擋板管內(nèi)產(chǎn)生過壓，該過壓防止蒸發(fā)物質(zhì)的蒸汽顆粒通過開口 18到達管形擋板14的內(nèi)部中。如裝置10的根據(jù)本發(fā)明的裝置具有以下優(yōu)點，反應(yīng)氣體能夠與蒸發(fā)物質(zhì)分離地利用等離子體來激活，使得至少空心陰極的對于形成空心陰極電弧放電重要的表面區(qū)域被保護以免利用蒸發(fā)物質(zhì)的涂覆并且空心陰極彼此的對準通過到管形擋板中的集成而被穩(wěn)定化。
[0023]在圖2a中，示意性地以側(cè)視圖示出一種替代的根據(jù)本發(fā)明的裝置20。裝置20包括兩個空心陰極21和22，所述空心陰極相對地并且以出口朝向彼此地布置。在此，兩個空心陰極管的延長的管軸線23是相同的。具有圓形的管橫截面的由石墨構(gòu)成的管形擋板24不僅沿著延長的管軸線23包圍兩個空心陰極21、22之間的空間而且部分地包圍兩個空心陰極21、22。兩個空心陰極21、22因此插入到擋板管的端面中。管形的擋板24的端面朝向空心陰極21、22利用在圖2a中未示出的介質(zhì)來密封。
[0024]電源設(shè)備15電連接在兩個空心陰極21、22之間并且提供雙極中頻脈沖電壓以用于產(chǎn)生和維持兩個空心陰極21、22之間的空心陰極電弧放電。兩個空心陰極21、22因此反向地并且交替地用作空心陰極電弧放電的陰極或陽極。裝置20的空心陰極21和22同樣具有環(huán)形的由導(dǎo)電材料構(gòu)成的片26，所述片與相應(yīng)的空心陰極電接觸地固定在空心陰極管上。
[0025]裝置20與圖1中的裝置10的區(qū)別在于，管形的擋板24例如沒有準許反應(yīng)氣體進入的入口。此外，管形的擋板24不具有多個較小的開口，而是僅僅具有一個較大的開口28。在圖2b中，示意性地以俯視示出圖2a中的擋板24，從俯視中更明顯地得知開口 28的大小。
[0026]如裝置20的根據(jù)本發(fā)明的裝置同樣可以被布置在蒸發(fā)容器之上的過程腔之內(nèi)并且可以在以下情況下應(yīng)用，即從蒸發(fā)容器中蒸發(fā)的材料在等離子體的作用下應(yīng)該反應(yīng)地或也不反應(yīng)地被蒸發(fā)。由于開口 28的大小，從蒸發(fā)容器上升的材料顆?？梢缘竭_由空心陰極21、22產(chǎn)生的等離子體的作用區(qū)域中。盡管如此，空心陰極由于朝下封閉的擋板24而被保護以免上升的材料蒸汽的直接影響。
[0027]在圖3a中示意性地以側(cè)截面圖描繪蒸發(fā)設(shè)備30，其中集成有根據(jù)本發(fā)明的裝置，該裝置具有針對圖1中的裝置10來描述的所有特征。
[0028]裝置30具有蒸發(fā)容器39，要蒸發(fā)的材料40位于該蒸發(fā)容器中。在材料40之上，根據(jù)本發(fā)明的裝置的管形擋板34穿過蒸發(fā)容器39的兩個相對的壁延伸。兩個空心陰極31、32插入到管形擋板34的端面中。同樣屬于圖3a中的根據(jù)本發(fā)明的裝置的有:環(huán)形的片，但是由于更好的清楚性在圖3a中沒有示出，所述環(huán)形的片被固定在空心陰極管上并且擴大所述空心陰極管的表面;至少一個入口，反應(yīng)氣體通過該入口流入到被環(huán)形擋板34包圍的體積中；以及電源設(shè)備，該電源設(shè)備產(chǎn)生雙極脈沖電壓并且因此在空心陰極31、32之間產(chǎn)生空心陰極電弧放電等離子體。管形擋板34還具有多個小的開口 38，借助空心陰極電弧放電等離子體激活的反應(yīng)氣體顆粒能夠通過所述開口出來進入到管形擋板34的周圍環(huán)境中。
[0029]圖3b示出相對于圖3a轉(zhuǎn)動90°的示意性的側(cè)截面圖并且在此從另一視角闡明了根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備在蒸發(fā)容器之內(nèi)的位置。
[0030]在圖3a、3b示出的蒸發(fā)設(shè)備30的一種實施方式中，蒸發(fā)容器39也還包括蓋板，該蓋板位于蒸發(fā)容器39上。在此，蓋板壁具有多個開口，在蒸發(fā)容器39中產(chǎn)生的材料蒸汽結(jié)合通過等離子體激活的反應(yīng)氣體通過所述開口出來并且可以沉淀在要涂覆的襯底上。
[0031]在圖3中示出的蒸發(fā)設(shè)備例如可以在以下情況下被使用，即材料應(yīng)該反應(yīng)地被蒸發(fā)，但是在此應(yīng)該僅僅反應(yīng)氣體借助等離子體來激活。這例如可以在以下情況下是必需的，即材料蒸汽與空心陰極的接觸可以導(dǎo)致材料蒸汽以雜質(zhì)顆粒的污染，所述雜質(zhì)顆粒引起所沉積的層的質(zhì)量降低或者可能材料蒸汽顆粒在空心陰極上的沉積可以導(dǎo)致影響等離子體產(chǎn)生。根據(jù)本發(fā)明的裝置的管形擋板不僅有效地保護材料蒸汽以免與空心陰極的接觸而且保護空心陰極以免以材料蒸汽顆粒來涂覆。
【主權(quán)項】
1.用于產(chǎn)生空心陰極電弧放電等離子體的裝置，包括兩個相對布置的空心陰極(11、12)，其中空心陰極(11、12)被連接到脈沖發(fā)生器(15)上，所述脈沖發(fā)生器在兩個空心陰極(11、12)之間產(chǎn)生雙極脈沖電壓，其特征在于，兩個空心陰極(11、12)之間的空間沿著延長的空心陰極軸線(13)被擋板(14)包圍并且兩個空心陰極(11、12)至少部分地被擋板(14)包圍，其中擋板面具有至少一個開口(18)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，擋板(14)管形地被構(gòu)造并且兩個空心陰極(11、12)在管形擋板(14)的兩個端面處插入到擋板管中。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，管形擋板(14)在端面處朝向空心陰極(11、12)密封。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，擋板(14)由石墨構(gòu)成。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，擋板(14)具有至少一個入口(17)，反應(yīng)氣體能夠通過所述入口被引入到由擋板(14)包圍的體積中。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，擋板在要蒸發(fā)的材料(40)之上穿過蒸發(fā)容器(39)延伸。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，蒸發(fā)容器(39)具有蓋板，所述蓋板具有多個開口。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，兩個空心陰極(11、12)包括機構(gòu)(16)，利用所述機構(gòu)擴大空心陰極(11、12)的電極表面。
【文檔編號】H05H1/48GK105848400SQ201610062121
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年1月29日
【發(fā)明人】H.莫爾格納, C.梅茨納, L.德克, T.韋爾納, H.弗拉斯克
【申請人】弗勞恩霍弗實用研究促進協(xié)會