线性高能射频等离子体离子源制造技术

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。

Linear high energy RF plasma ion source

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】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。
本专利技术通常涉及电气、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。
技术介绍
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。r>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。
技术实现思路
本专利技术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。根据本专利技术的实施例，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。根据本专利技术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，本专利技术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专利技术的说明性实施例的以下详细描述，本专利技术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是根据本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种线性高能等离子体离子源，包括：/n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；/n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/n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；/n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所述RF电压的部分。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171113 US 62/585,126;20181108 US 16/184,1771.一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所述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，并且基本上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1.0兆赫下大于约3.0的介电常数、具有在1.0兆赫下小于约0.0015的RF损耗因子、具有大于约150兆帕的压缩应力、以及具有大于约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，冷却流体或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。


7.根据权利要求6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。


8.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。


9.根据权利要求8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。


10.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。


11.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基本匹配的形状。


12.根据权利要求11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，冷却流体或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。


13.根据权利要求11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。


14.根据权利要求13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。


15.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。


16.根据权利要求1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DC电压结合时形成施加到所述等离子体腔体的偏置电压。


17.根据权利要求16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...

【专利技术属性】
技术研发人员：克雷格·A·奥滕，
申请(专利权)人：丹顿真空设备有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US