技术领域
[0001] 本
发明涉及一种可以为电离增强装置的镀膜机。特别地，但不限于，本发明涉及在
等离子体装置中
电子发射和传输的产生和控制，用于增强溅射；
磁控溅射；离子处理、热蒸镀、
升华沉积、电子束蒸镀、
化学气相沉积(CVD)和等离子体辅助化学气相沉积(PACVD)的变型中的电离作用。
[0002] 在某些
实施例中，本发明将热
阴极元件与溅射增强电子发射结合，其中在热阴极元件周围产生强
电场。此外，该电场区域处于几乎为零的强度和/或磁镜特征的
磁约束空间中。热阴极元件的电子发射区域还可以包括引导的
磁场提取磁场路径，其可以是恒定的/连续的/永久的或者以脉冲(脉冲模式)产生。
[0003] 同时，本发明可以涉及反应过程和镀膜沉积
离子轰击管理。本发明还可以涉及本装置在反馈控制系统中的使用；使用这些装置的制造工艺和方法以及由本发明处理的材料和部件也是本发明的一部分。
背景技术
[0004] 众所周知，对导体施加高温和负高压会刺激电子从导体发射到
真空。可以管理高电子
电流以便从
坩埚中的材料产生电子束蒸镀。一系列这些热电导体基于热
灯丝，其中由于
导线的横截面小，因此在相对低的电流下容易实现高温要求。热灯丝已广泛用于化学气相沉积(热灯丝CVD)以及增强蒸镀材料的电离，例如在热灯丝电离增强电子束蒸镀中。关于热灯丝CVD，热灯丝本身不会被偏置用于出于任何电子发射的目的而是用作辅助化学反应和镀膜沉积的热分子裂化器。关于电子束蒸镀，附加的偏置热灯丝的辅助将为该过程提供电子注入。由于放电的性质，这种发射在任何特定方向不受限制或传递。
[0005] 然而，通过
磁性、电性和等离子体碰撞，本发明能够增强诸如热灯丝的热元件的电子发射同时提供限制，电离和电子和离子引导。本发明可以与其他真空沉积技术结合使用。另外，根据本发明可以改变限制程度和与其他材料的相互作用。
[0006] 本发明还涉及用于平面、圆柱形可旋转和任何其它类型的溅射阴极技术的电子产生元件、限制元件和引导元件的用途。
[0007] 本发明还涉及电子产生元件、限制元件和引导元件在反应过程和非反应过程中的用途。反应过程是涉及但不仅仅是非惰性气体诸如O2或N2的存在的反应过程。
发明内容
[0008] 在所附的独立
权利要求中阐述了本发明的各个方面。在所附的
从属权利要求中阐述了本发明的各种优选的、合适的或可选的特征。
[0009] 根据本发明的一个方面，提供了一种电子注入电离增强装置。可以从阴极元件(这里也称为热离子发射体)提供电子发射，该阴极元件能够在离子轰击下提供二次电子发射。阴极元件通常将具有耐火性质(高熔点)，能够在真空条件下在高温下操作，具有非常低的
蒸汽压和低的溅射产率，同时在离子轰击条件下具有显著的二次电子发射。材料可以是但不仅仅是钨、
硼化物、例如ZrB2，TiB2。根据本发明的某些方面，阴极元件放置在强度为零或接近零的磁场约束域中。这种接近零的限制适当地允许阴极元件的低溅射劣化。此外，具有电磁镜像和磁场引导的磁场保持体积可以产生富电子区，在该富电子区中，电子基本上被限制并且发生电离碰撞。除了限制之外，电子逸出路径或优选的电子逸出路径也可以是本发明的一部分。电子逸出路径可以提供离子逸出。通过引导电子与镀膜元件
接触，优选发
生物质的电离或等离子体活化。
[0010] 根据本发明的另一方面，提供一种镀膜机，其包括：蒸汽供应部；热离子发射体，其位于邻近蒸汽供应部但与蒸汽供应部隔开；
阳极，其位于热离子发射体的与蒸汽供应部相对的一侧；偏置装置，其在使用中适于使热离子发射体相对于阳极负偏置；以及磁性装置，其在使用中适于产生磁场；其中磁场包括：热离子发射体周围的低磁场强度区域；以及在蒸汽供应部和阳极之间延伸的磁场区域，使得在使用中，由热离子发射体发射的电子与蒸汽供应部相互作用以使蒸汽从蒸汽供应部发射并且至少部分地使来自蒸汽供应部的蒸汽电离，从而形成至少部分电离的蒸汽通量；由热离子发射体发射的电子被吸引到阳极，从而形成朝向阳极的电子通量，电子通量至少部分地被限制在蒸汽供应部和阳极之间延伸的磁场区域内，并且其中：产生的至少部分受限的电子通量与至少部分电离的蒸汽通量相互作用以在朝向阳极的方向引导至少部分电离的蒸汽通量，并且优选地沿着对应于在蒸汽供应部和阳极之间延伸的磁场区域的路径引导至少部分电离的蒸汽通量。
[0011] 在某些方面，本发明的结果优选地是改进的和/或替代的镀膜机，其通过将电离材料传递穿过在蒸汽供应部和阳极之间延伸的磁场区域来增强电离材料通量的方向性。
[0012] 在蒸汽供应部和阳极之间延伸的磁场区域优选地是在蒸汽供应部和阳极之间延伸的接近零或零低磁场强度区域；在这种情况下，本发明的结果最优选地是改进的和/或替代的镀膜机，其通过将电离材料传递穿过在蒸汽供应部和阳极之间延伸的低磁场强度区域来增强电离材料通量的方向性。
[0013] 适当地，蒸汽通量包括材料蒸汽，其可以但不限于分子蒸汽、
原子蒸汽、化合物蒸汽等，从蒸汽供应部中
汽化/蒸镀该材料。蒸汽供应部可以是由希望镀膜到基片上的材料制成的靶材。在某些实施例中，蒸汽供应部可以采用坩埚的形式，坩埚包含待镀膜到基片上的材料。通过合适的手段例如热蒸镀、电子束蒸镀、溅射、磁控溅射、气体或蒸汽注入适当地供应材料蒸汽。
[0014] 热离子发射体相对于阳极是阴极，并且偏置装置优选地在使用中适于使热离子发射体(阴极)相对于阳极负偏置，从而在热离子发射体(阴极)和电子发射体之间产生电场。
[0015] 优选地，磁场包括磁场阱。优选地，在待供应的材料的供应部和阳极之间延伸的磁场和/或磁场区域包括或形成电子镜。在本公开的上下文中，“磁镜”是一种磁约束装置，其可以使用磁场捕获至少部分电离的蒸汽通量和/或电子通量(其可以一起或单独地是等离子体)适当地配置磁场使得它(即其磁场线)将带电粒子从高
密度磁场区域反射到低密度磁场区域。本领域技术人员将很好地理解磁镜的操作，但是操作原理使得在磁场区域内移动的带电粒子经历洛伦兹
力，该洛伦兹力使其沿着磁场线在螺旋路径中移动。当带电粒子移动通过
磁场梯度时，场的径向分量和粒子的方位
角运动的组合形成在较低磁场强度的方向上指向磁场梯度的力。正是这种力可以反射带电粒子，从而使带电粒子减速，并且在某些情况下使带电粒子反向。
[0016] 因此，就热离子发射体位于磁约束区域中的蒸汽供应部和阴极之间，例如能够自我产生电离所需的电场并且将离子引向基片区域而言，本发明与现有的镀膜机和/或电子束蒸镀机不同。
[0017] 因为根据公认的智慧，实际放置在镀膜机内部的热离子发射体由于已知镀膜机内部的操作条件而易受相当大的烧蚀/
腐蚀/磨损，因此本发明是不当的。同时，电子发射由于较低的电离度而缺乏捕获。然而，因为在本发明中，热离子发射体位于低磁场强度区域中，所以它被磁场有效地保护免受溅射侵蚀，这降低热离子发射体的强烈离子轰击，从而减少或消除不适当的热离子发射体的磨损或过早失效。
[0018]
热电子发射是通常在真空条件下从热阴极发射电子的过程。该现象也称为热电子发射或“爱迪生效应”。在本公开的上下文中，术语“热离子发射体”应被解释为在被加热时发射电子的任何装置。
[0019] 适当地，热离子发射体包括灯丝，其可以例如通过使电流通过灯丝而被加热。适当地，热离子发射体包括灯丝，其优选地由耐火材料制成，例如钨、FeCrAl
合金、钼、
硅化物(例如MoSi2)、
碳化物(例如SiC)或
硼化物(例如TiB2的ZrB2)。
[0020] 在本公开的上下文中，热离子发射体周围的低磁场强度区域适当地包括具有非常低、接近零或零磁场强度的磁约束区域。同样，在蒸汽供应部和阳极之间延伸的低磁场强度区域适当地包括具有比近零或零低磁场强度区域的强度更强的磁场强度的电子镜磁约束域。
[0021] 在本发明的优选实施例中，一个或多个磁约束区域由相对较高磁场强度的一个或多个区域界定，这可以在磁约束区域周围形成一个或多个“等离子体阱”。适当地，这种配置在约束域附近产生“屏障”，其抑制或阻止通量电子，并且这样做抑制或阻止跟随由电子运动引起的电场的电离材料蒸汽从材料蒸汽的供应部进入。
[0022] 偏置装置可包括可操作地连接到阳极和热离子发射体的电源。可以使用任何类型的电源，例如低压DC电源；高压DC电源，AC电源等。可以手动或自动可选择地改变电源的各种参数，例如施加
电压的幅度、
频率、
相位、
脉冲持续时间等或者产生电流/场。
[0023] 还可以设置附加
电极，其可以位于蒸汽供应部的与热离子发射体的相对侧。适当地设计/配置所设置的附加电极以便维持等离子体放电和/或电子发射和/或电离粒子和/或中性粒子。这些颗粒中的至少一些可优选具有高于约5eV的
能量。附加电极可以是静态的或动态的，并且具有不同的几何形状，例如它可以是平面靶材或管状/圆柱形。
[0024] 为了使用蒸镀机镀膜基片，适当地设置用于保持基片的装置。这可以采用任何合适的形式，例如固定的基片保持器；移动的基片保持器；线性移动的基片保持器；旋转移动的基片保持器；旋转式传送带；和多轴旋转式传送带。
[0025] 为了改进、
修改或增强镀膜工艺，蒸镀机可以进一步包括可以布置成朝向基片发射二次材料通量的二次蒸汽供应部(待蒸镀的二次材料源)。
[0026] 蒸镀机优选在受控气氛中操作，例如在真空或部分真空中，和/或存在一种或多种
反应性或非反应性气体。因此可以设置包围蒸镀机的壳体，在某些实施例中，壳体还可以包括用于控制壳体内气氛的气氛控制装置。气氛控制装置可包括用于至少部分地抽空壳体的真空
泵和/或用于至少部分地用工艺气体填充壳体的气体输送系统。合适的工艺气体是非惰性气体，例如O2或N2。
[0027] 磁性装置可以是任何合适的类型，但在某些实施例中，磁性装置包括一个或多个
永磁体。另外地或可选地，磁性装置可包括一个或多个电磁
铁。另外地或可选地，磁性装置可包括在使用中改变磁场的形状的一个或多个铁磁元件。
[0028] 从以下描述中可以理解，本发明可以被并入到包括如本文所述的多个蒸镀机的系统中。适当地，多个蒸镀机被布置成使得在它们各自的待蒸镀材料的供应部和它们各自的阳极之间延伸的它们各自的低磁场强度区域在空间中的交叉点处会聚和/或重叠和/或相遇。在某些实施例中，设置由多个蒸镀机中的一个或多个共用的共阳极。另外，可以设置辅助磁性装置，其在使用中适于改变多个蒸镀机的各自磁场的形状。
[0029] 在本发明的一个实施例中，负责电子注入、限制，电离碰撞和引导的元件可以能改变等离子体特性以及与镀膜元件的等离子体相互作用的不同程度的控制的方式改变注入、限制、电离碰撞和等离子体引导的性质。
[0030] 在本发明的另一部分中，本发明还涉及使用这种类型的电子注入和电离增强装置的反馈控制系统。
[0031] 在本发明的另一部分中，本发明还涉及一个或多个这些电子发射和限制装置的用途。
[0032] 本发明可涉及平面和/或圆柱形可旋转阴极。
[0033] 在本发明的另一个实施例中，电子注入元件可以集成在约束域内或镀膜元件的约束域外。
[0034] 本发明还涉及通过使用这些受限电子发射离子装置的方法制造的材料、部件和装置。
附图说明
[0035] 仅通过举例的方式参考以下附图进一步描述本发明，其中：
[0036] 图1是基于电子束蒸镀的已知真空沉积系统的示意图；以及
[0037] 图2至图10是说明本发明的各种实施例的示意图。
具体实施方式
[0038] 参照附图，图1示出如
现有技术所述的基于电子束蒸镀的真空沉积系统的示意图。在该示例中，装置1包含能够产生电子束发射的热元件2，电子束发射经由磁场3(在附图中由连接相等磁场强度的点的一组磁场线指示)引导通过路径4。路径4将电子束引向包含材料5a的坩埚6a，材料5a在受到冲击的情况下变热。加热区7使材料升华/蒸镀。蒸镀的材料8a跟随行进方向：它们中的一些穿过通过适当的电源11在差分电压下使阴极热元件9相对于阳极10负向偏置的空间。只要存在距磁场3足够的距离，阴极热元件9a的电子发射基本上是各向同性的。蒸镀的元件和/或气体粒子与电子之间的碰撞使真空中存在的物质产生一定程度的电离。
[0039] 以下阐述的其余附图涉及根据本发明的镀膜机的各种不同实施例/版本/变型。
[0040] 图2示出根据本发明的镀膜机的示意图。公开了一种能够控制电子发射和等离子体的装置13。在这种装置中，作为热离子发射体的阴极元件9放置在部分抽空的气氛中和磁场约束域16a中。通过合适的电源11将热离子发射体9相对于阳极元件10负向偏置。由热离子发射体9发射的电子基本上被磁场(在附图中由连接相等磁场强度点的一组磁场线表示)21和15以及负偏置元件17捕获。
[0041] 另外，可以通过磁性装置14改变磁场阱21。此外，对元件17的偏置也可以用于维持等离子体放电和/或电子发射和/或电离粒子和/或中性粒子。这些粒子中至少有一些具有高于5eV的能量。
[0042] 限制热离子发射体9周围的电子使得电子通过由磁场线15产生的引导路径16b被传递到阳极10。在真空中存在的电子和气体和/或其他元件和/或分子粒子8b之间的碰撞通常产生一定程度的电离。通过电子流朝向阳极引导电离粒子，从而产生主要电离通量12a。其他电离粒子可以主要基于能量和动量守恒以及在该过程中发生的碰撞而遵循不同类型的分布，例如箭头12b-12c所示的方向。
[0043] 当然，可存在变型：例如元件17，其可以是静态的或动态的，并且具有不同的几何形状，例如它可以是平面靶材，如在该图中它本质上是可旋转圆柱形，就像在图9和图10中那样。
[0044] 图3是表示本发明另一个实施例的示意图。通过将图3的实施例与图2的实施例比较，该装置在磁性元件14的不同设定点处呈现由包含在13中的磁性装置引起的不同磁场。
[0045] 装置13能够控制电子发射和等离子体投射。
[0046] 在这种装置中，热离子发射体9放置在部分抽空的气氛中和磁场区域中，在该区域中没有或几乎没有限制。由热离子发射体9发射的电子通过由磁场线15产生的传递路径16b被引向阳极元件10。
[0047] 通过合适的电源11将热离子发射体9相对于阳极元件10负向偏置。可以使用负偏置元件17以增强电子发射。另外，可以通过磁性装置14改变磁场阱21。
[0048] 另外，对元件17的偏置能够维持等离子体放电和/或电子发射和/或电离粒子和/或中性粒子，其中至少一些粒子具有高于5eV的能量。
[0049] 在图3的实施例中，当电子从负偏置元件17和经由磁场线15排除电子，并且经由区域16b朝向阳极10引导电子离开时，在热离子发射体9周围的电子没有大的限制。
[0050] 存在于真空中的电子和气体与/或其他元件和/或分子颗粒8b之间的碰撞产生一定程度的电离，并且通过电子流朝向阳极引导电离粒子。
[0051] 由于没有限制，因此在方向12a上产生的电离通量将比图2的电离通量小。其他电离粒子可以主要基于能量和动量守恒以及在该过程中发生的碰撞而遵循不同类型的分布，例如12b-12c所示的方向。
[0052] 图4是表示本发明另一个实施例的示意图，其中如图2和图3所述的装置也存在包含元件5c的另一个镀膜元件6c，其在部分抽空的气氛中产生蒸镀通量8c。
[0053] 在该实施例中，镀膜、电离和控制装置13能够控制电子发射和等离子体。在这种装置中，热离子发射体9放置在磁场约束域16a中。通过合适的电源11将热离子发射体9相对于阳极元件10负向偏置。
[0054] 由热离子发射体9发射的电子基本上被磁场线21和15以及负偏置元件17捕获。此外，可以通过磁性装置14改变磁场阱21。
[0055] 另外，对元件17的偏置能够维持等离子体放电和/或电子发射和/或电离粒子和/或中性粒子，其中至少一些粒子具有高于5eV的能量。限制热离子发射体9周围的电子使得电子通过由磁场线15产生的引导路径16b被传递到阳极10。
[0056] 以产生大量的气相溅射通量8d的方式偏置元件17。存在于真空中的电子和气体和/或其他元件和/或分子颗粒8d之间的碰撞产生一定程度的电离，并且通过电子流朝向阳极引导电离粒子，从而产生主要电离通量12a。其他电离粒子可以主要基于能量和动量守恒以及在该过程中发生的碰撞而遵循不同类型的分布，例如箭头12b-12c所示的方向。在该实施例中，通量12a和8c能够将颗粒带入沉积区域，在该沉积区域中，当基片载流子18和/或芯轴元件19旋转时，基片载流子18和/或芯轴元件19可以被镀膜。
[0057] 图5是表示本发明另一个实施例的示意图，其中两个镀膜机(例如先前描述的)13a和13b具有这样的磁相互作用，使得在基片元件18和19旋转时能够在
覆盖基片元件18和19的大面积上方产生增强的电子约束。
[0058] 在该实施例中，镀膜机13a和13b能够控制电子发射和等离子体。
[0059] 在这种装置中，各个热离子发射体9a和9b放置在磁场约束16ab和16ab的各自区域中。通过电源11a和11b将热离子发射体9a和9b分别相对于基本上居中放置的偏置阳极元件10偏置。
[0060] 由热离子发射体9a和9b发射的电子基本上被磁场线21a-b和15a-b以及负偏置元件17a-b捕获。对元件17的适当偏置能够维持等离子体放电和/或电子发射和/或电离粒子和/或中性粒子，其中至少一些粒子具有高于5eV的能量。
[0061] 限制热离子发射体9a-b周围的电子使得电子通过由磁场线15a-b产生的引导路径16b被传递到阳极10。与先前描述的实施例类似，通过电子流朝向阳极引导电离粒子，从而产生主要电离通量12aa和12ab。基片载流子18和/或芯轴元件19可以在它们旋转时被镀膜。
[0062] 图6是表示本发明另一个实施例的示意图，其中两个镀膜机13a和13b，例如上面参照图5描述的镀膜机与其它镀膜元件22aa、22ab、22ba和22bb结合。
[0063] 在该实施例中，磁相互作用使得在不同的磁性元件之间建立磁链15x，从而在基片元件18和19上方产生磁约束区域。
[0064] 在该实施例中，镀膜机13a和13b能够控制电子发射和等离子体。在这种装置中，各个热离子发射体9a和9b放置在磁场约束16ab和16ab的各自区域中。通过电源11a和11b将热离子发射体9a和9b分别相对于基本上居中放置的偏置阳极元件10偏置。由阴极元件/热离子发射体9a和9b发射的电子基本上被磁场线捕获并且通过场线和通道15a、15b、16ba和16bb朝向基片元件18和19传递。
[0065] 与先前描述的实施例类似，通过电子流朝向阳极引导电离粒子，从而产生朝向基片的主要电离通量。另外，镀膜单元，诸如在图6的情况下具有用于产生溅射条件阱的各个捕获的阱等离子体场线23的磁控溅射源将在基片载流子18和/或芯轴元件19旋转时对基片载流子18和/或芯轴元件19镀膜。
[0066] 图7是表示本发明的另一个实施例的示意图，除用附加镀膜元件20bc代替其中一个电离元件之外，该实施例类似于图6中描述的实施例，该附加镀膜元件20bc磁性联接到电离装置13a。
[0067] 如在上面关于图5描述的实施例中那样，镀膜元件22aa、22ab、22ba和22bb被布置使得在基片元件18和19旋转时，磁链产生覆盖基片元件18和19的电子约束线15x。
[0068] 在该实施例中，镀膜机13a能够控制电子发射和等离子体。在这种装置中，热离子发射体9a放置在磁场限制和引导区域16ba中。阳极元件10ba、10bb偏离中心(基本上不是中心)放置在沉积系统中使得当朝向阳极元件10ba和10bb行进时，通
过热离子发射体9a注入的电子将沿着基片区域中的路线产生电离。
[0069] 另外，诸如本实施例的磁控溅射源的镀膜单元提供溅射条件阱的各个捕获的阱等离子体场线23。在溅射期间，如图6的情况一样，将在基片载流子18和/或芯轴元件19旋转时对基片载流子18和/或芯轴元件19镀膜。
[0070] 图8是表示本发明的另一个实施例的示意图，除通过磁场线15y联接不同的等离子体源之外，该实施例类似于图6中描述的实施例，其中磁场线15y在基片元件18和19上的大区域上方形成用于电子注入的封闭约束。
[0071] 与先前描述的实施例类似，镀膜机13a和13b包含分别用于将电子注入约束区域的热离子发射体9a和9b。通过相对于阳极元件10的适当偏置，镀膜装置22aa和22ab具有适用于磁控溅射等离子体阱条件的约束区域23。溅射将从与镀膜装置22aa和22ab相关的靶材料产生沉积。
[0072] 图9是表示本发明另一个实施例的示意图，该实施例涉及具有电离增强作用的可旋转圆柱形阴极。
[0073] 镀膜机24a和24b具有磁场，使得产生基本为零场强度的区域16x。在这样的区域中，将热离子发射体9相对于具有电源11a和11b的阳极元件10a和10b负偏置地放置。通过在装置24a和24b内适当地倾斜磁阵列，可以使诸如溅射镀膜焊剂的主磁阱25基本上穿过电离区域16x，从而产生电离通量12xa和12xb。
[0074] 通常在一个方向上移动或以往复模式移动的基片18a、19a将接收来自电离和非电离物质的镀膜。磁场阱25还有助于将电子注入约束区以及阴极元件24a和24b上实现溅射条件。
[0075] 可旋转阴极的数量可以仅为一个，例如24a或任何多个这样的阴极。同样，可以存在一个或多个阳极元件和阴极电子注入元件。
[0076] 最后，图10是表示本发明另一个实施例的示意图，其涉及具有电离增强的可旋转圆柱形阴极。
[0077] 镀膜机24a和24b具有磁场，使得产生基本为零场强度的区域16x。在这样的区域16x中，将热离子发射体9相对于具有电源11的阳极元件10负偏置地放置。
[0078] 通过在装置24a和24b内适当地倾斜磁阵列，主磁阱25是诸如进入磁控阱的电子注入馈送，并且电离通量12xx被引导离开基片18a，19b。
[0079] 这种特殊配置可以减少高能物质对基片的轰击。这种装置配置对于透明导电
氧化物沉积，例如ITO和AZO的
透明导电氧化物沉积尤其有用。同样，可旋转阴极的数量可以仅为一个，例如24a或任何多个这样的阴极。同样，可以存在一个或多个阳极元件和阴极电子注入元件。
[0080] 本发明的范围由所附权利要求确定，并且不限于前述实施例的细节，前述实施例仅是示例性的。特别地，在不脱离本公开的技术方案的情况下，任何尺寸、材料、工艺条件等(无论是明确的还是隐含的)都可以是各种各样的。
