等离子体源和用等离子体增强的化学气相沉积来沉积薄膜涂层的方法
【专利说明】等离子体源和用等离子体増强的化学气相沉积来沉积薄膜 涂层的方法
[0001] 本申请是申请日为2009年8月4日、申请号为200980139450. 6、题为"等离子体源 和用等离子体增强的化学气相沉积来沉积薄膜涂层的方法"的发明专利申请的分案申请。
[0002] 相关申请的交叉引用
[0003] 本申请要求2008年8月4日提交的美国临时申请US 61/137,839的权益，因此其 整个内容通过参考结合到本申请中。
技术领域
[0004] 本发明一般地涉及一种用于薄膜沉积和表面化学改性的等离子体源。更具体的 是，本发明涉及一种用于等离子体增强的化学气相沉积（CVD)的线性等离子体源。
【背景技术】
[0005] 本文中所引用的所有美国专利和专利申请以其整体通过参考结合于此。在抵触的 情况中，将对照包括定义的本说明书。
[0006] 薄膜的沉积可以由许多技术实现，最常见的包括化学沉积、物理沉积和两者的混 合。对于化学沉积，众所周知的技术是镀敷、化学溶液沉积（CSD)和化学气相沉积（CVD)。 镀敷和CSD通常利用液态的化学前驱，而CVD通常利用气态的化学前驱。所述技术可以在大 气压力或者真空条件下执行。对于物理沉积，众所周知的技术是热蒸发、溅射、脉冲激光沉 积和阴极弧沉积。所述物理沉积技术通常应用真空条件，以便沉积所要求的薄膜材料。关 于化学沉积，最常见的技术是CVD，然而对于物理沉积，最常见的技术是溅射。
[0007] CVD通常需要引入能源，以便产生这样的条件，前驱气体将粘附或者粘着到基板表 面上。换句话说，将不会发生粘附到表面上。例如，在热解CVD过程中，由此希望在平板玻 璃基板上沉积出薄膜涂层，一般是加热玻璃基板。加热的玻璃基板起到CVD能源的作用，并 且当前驱气体接触加热的玻璃基板时，前驱气体粘附到热的玻璃表面上。加热的表面还提 供了产生前驱气体所需的能量以发生化学反应来形成最薄的薄膜涂层成分。
[0008] 等离子体还能起到用于CVD型加工的能源的作用，通常所说的等离子体增强的化 学气相沉积（等离子体增强的CVD)或者等离子体增强的化学气相沉积（PECVD)。等离子体 是由部分电离的气体和自由电子组成的，并且各个部分具有稍微独立地移动的能力。该独 立的运动使等离子体导电，以便其可以对电磁场作出反应。该导电性提供了与其他已知的 化学和物理沉积技术相比具有许多优点的PECVD工艺。
[0009] 在PECVD工艺中，沉积材料一般是由前驱气体获得的。所述前驱气体的实例对本 领域的技术人员来说是众所周知的。例如，如果将沉积硅基薄膜，则常见的前驱气体是硅 烷、SiH 4。当SiH4遭受等离子体源时，等离子体可以起到将硅烷分子的能级提高到其将与表 面起反应并且附着成结实的层的作用。更具体地说，SiH 4被电离，使其电子移动到更高的能 级。这伴随有随后的氢原子的剥离。离子化分子具有可用的敞开式反应物地点，并且如果 在存在例如氧气的反应性气体的情况下，则可以轻易地形成SiO 2薄膜。如果离子化分子不 在存在反应性气体的情况中，则可以形成硅的薄膜。前驱气体的化学作用存在元素的过剩， 并且因此，存在可以通过PECVD沉积的元素和材料的大的可用性。在没有限制的情况中，可 由PECVD沉积类型的薄膜为透明的导电氧化物薄膜涂层、日照控制及光学薄膜涂层和半导 体薄膜涂层。本领域的普通技术人员将认识并了解到能够通过PECVD沉积的其他种类的薄 膜涂层。
[0010] 因此，在表面产生等离子体是常见的工业实践，特别是在涂覆行业中。已经开发出 许多设备来产生并且形成等离子体。大部分已知的设备产生成形为圆柱形的等离子体喷 流，其具有许多用于涂覆和表面处理的实际应用。然而，线性的等离子体可能具有更多的实 际应用。可以使线性的等离子体在大型的基板表面积上工作，这对大面积的玻璃涂覆、纺织 品涂覆和多部件的批量涂覆是有用的。
[0011] 迄今为止，大部分已知的PECVD装置是用于小尺寸的（即<lm2)的沉积，因为大部 分等离子体源是非常短的并且可能仅涂覆小的面积。因此，已经难以实施应用于大面积涂 覆的PECVD。然而，已经存在设计成用于涂覆大面积表面的PECVD装置。这包括（但不限 于）磁电管源、阳极层离子源和Madocks源。
[0012] 然而，存在与使用涂覆大面积表面的前述PECVD装置有关的缺陷。例如，磁电管源 倾向于非常庞大，一般为150毫米宽乘300毫米深，并且需要磁铁。此外，当被用于PECVD 时，磁电管源的表面趋向于涂覆有沉积的材料，并且因此，使磁电管绝缘，这可能产生弧光 及其他并发情况。此外，溅射的材料损害了沉积的材料。阳极离子层源例如遭受和磁电管 源类似的缺陷，其中它们倾向于庞大，需要磁铁以及被涂覆。此外，离子层源倾向于按低速 (0. 1 μ m/秒）沉积PECVD材料。Madocks源例如遭受庞大和需要磁铁以及低涂覆效率（大 约15% )的缺陷。此外，所有三个前述的源依赖闭路电子漂移（例如霍耳效应）来产生均 匀的等离子体。
[0013] 在不依靠闭路电子漂移或者霍耳效应的情况下有可能产生均匀的等离子体。做到 这的常见途径是具有两个相对于彼此基本上平行定位的电子发射表面，其中电子发射表面 借助于交流电源按双极和不同相的方式相互连接。当电压差被应用到所述两个电子发射表 面上时，可以产生等离子体。两个电子发射表面之间的极性按一些预定的频率被从正极转 换为负极，并且等离子体均匀地传 播开。
[0014] 已经开发出基于平行的电子发射表面的等离子体源。一种所述源为空心阴极源， 例如美国专利US6, 444, 945中所描述的那样。更具体地说，美国专利US 6, 444, 945中所描 述的等离子体源包括由连接到双极性交流电源上的两个空心阴极形式所组成的，如图1所 示。等离子体源包括第一和第二空心阴极结构1和2。两个空心阴极结构1和2通过导线 6电连接到交流电源5上，该交流电源5产生交流电流来驱动等离子体3的形成。当空心阴 极结构之一经受负电压时，另一个空心阴极结构经受正电压，在所述空心阴极结构之间产 生电压差并且促使电流在所述结构之间流动，从而完成电路。选择性地，磁铁4可以设置在 各个空心阴极的开口附近，以增加空心阴极结构1和2之间的等离子体电流。然而，美国专 利US 6, 444, 945未说明所公开的空心阴极对于任何PECVD工艺或者对于大面积表面涂覆 的使用。
[0015] 因此，关于等离子体源或者PECVD源，在大面积涂覆技术中还有一种需求是可以 产生相当长（即长度大于0.5米）的均匀且稳定的等离子体。此外，关于PECVD源，在现有 技术中还有一种需求是细密的并且可以通过高涂覆效率地沉积出涂层。此外，关于PECVD 源和工艺，在现有技术中还有一种需求是在操作期间消耗更少的能量，以便降低总运行成 本。
【发明内容】
[0016] 本发明提供了一种等离子体源，包括：
[0017] i)n个电子发射表面的阵列；其中η表不阵列中的电子发射表面的数量；其中η在 4至20的范围内；其中每个电子发射表面通过气体容纳空间与至少一个相邻的电子发射表 面分离开；以及
[0018] ii)电源，电子发射表面与所述电源电连接，所述电源被构造为供应在正负之间交 替的电压；其中向每个电子发射表面供应与供应至至少一个相邻的电子发射表面的电压不 同相的电压，生成在相邻的电子发射表面之间流动的电流；其中所述电流在相邻的电子发 射表面之间产生等离子体；并且其中，等离子体用作用于激励、部分地分解或完全分解前驱 气体的能源。
[0019] 本发明还提供了一种等离子体源，包括：
[0020] i)n个电子发射表面的阵列；其中η表不阵列中的电子发射表面的数量；其中η等 于2 ;其中每个电子发射表面通过气体容纳空间与至少一个相邻的电子发射表面分离开； 以及
[0021] ii)电源，电子发射表面与所述电源电连接，所述电源被构造为供应在正负之间交 替的电压；其中向每个电子发射表面供应与供应至至少一个相邻的电子发射表面的电压不 同相的电压，生成在相邻的电子发射表面之间流动的电流；其中所述电流在基本上没有霍 尔电流的情况下在相邻的电子发射表面之间产生等离子体；并且其中，等离子体用作用于 激励、部分地分解或完全分解前驱气体的能源。
[0022] 此外，本发明还提供了一种等离子体源，包括：
[0023] i)n个电子发射表面的阵列；其中η表不阵列中的电子发射表面的数量；其中η等 于4 ;其中每个电子发射表面通过气体容纳空间与至少一个相邻的电子发射表面分离开； 以及
[0024] ii)电源，电子发射表面与所述电源电连接，所述电源被构造为供应在正负之间交 替的电压；其中向每个电子发射表面供应与供应至至少一个相邻的电子发射表面的电压不 同相的电压，生成在相邻的电子发射表面之间流动的电流；其中所述电流在相邻的电子发 射表面之间产生等离子体；并且其中，等离子体用作用于激励、部分地分解或完全分解前驱 气体的能源。
[0025] 在本发明的一方面，提供了一种稳定的、均匀的和长的等离子体。
[0026] 在本发明的一方面，提供了一种能够形成稳定的、均匀的和长的等离子体的等离 子体源。
[0027] 在本发明的一方面，提供了一对起线性等离子体源作用的电子发射表面。
[0028] 在本发明的一方面，提供了一系列起双极性等离子体源作用的电子发射表面。
[0029] 在本发明的另一方面，提供了一种形成稳定的、均匀的和长的线性等离子体的方 法。
[0030] 在本发明的另一方面，提供了一种形成稳定的、均匀的和长的双极性等离子体的 方法。
[0031] 在本发明的另一方面，提供了一种起到前驱气体的能源作用的等离子体。
[0032] 在本发明的另一方面，提供了一种将前驱气体输送至等离子体源的方法。
[0033] 在本发明的又一方面，提供了一种使用稳定的、均匀的长等离子体来形成大面积 的涂层的方法。
[0034] 在本发明的又一方面，提供了一种借助于磁铁所产生的增密的等离子体。
[0035] 在本发明的又一方面，提供了一种使增密（或致密）的等离子体源弯曲的方法。
[0036] 在本发明的又一方面，提供了一种提高由PECVD工艺沉积的涂层的涂覆效率的方 法。
[0037] 在本发明的又一方面，提供了一种增强次级电子流的PECVD设备。
[0038] 根据发明的优选实施方式的原理，通过提供至少2个借助于交流电源相互连接的 电子发射表面来获得所述及其他优点，其中所述交流电源向所述2个电子发射表面提供变 化的或者交替的双极性电压。更具体地说，至少2个电子发射表面经由交流电源相互连接， 以便所述交流电源向所述两个电子发射表面施加双极性的电压差。所述双极性电源最初驱 动第一电子发射表面至负电压，提供等离子体结构，同时第二电子发射表面被驱动至正电 压，以便起到电压施加电路的正极的作用。然后，这驱动第一电子发射表面至正电压，并且 颠倒负极和正极的作用。当电子发射表面中的一个被驱动至负极时，在相应的腔体内形成 放电。然后另一个负极形成正极，促使电子从等离子体中逸出并且行进至阳极侧，从而连通 电路。
[0039] 根据本发明的