用于产生空心阴极电弧放电等离子体的装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于产生空心阴极电弧放电等离子体的装置，包括两个相对布置的空心阴极（11、12），其中空心阴极（11、12）被连接到脉冲发生器（15）上，所述脉冲发生器在两个空心阴极（11、12）之间产生双极脉冲电压。在此，两个空心阴极（11、12）之间的空间沿着延长的空心阴极轴线（13）被挡板（14）包围并且两个空心阴极（11、12）至少部分地被挡板（14）包围，其中挡板面具有至少一个开口（18）。
【专利说明】
用于产生空心阴极电弧放电等离子体的装置
技术领域
[0001]本发明涉及一种用于在反应或不反应涂覆应用中借助以交变的极性来脉动的空心阴极电弧放电源产生用于真空过程的密集的等离子体的装置。该装置除了涂覆静止的衬底之外特别是还能够实现移动的带状的衬底的涂覆。如果在随后的发明描述中仅使用概念空心阴极，那么以此总是意指空心阴极电弧放电源的空心阴极。本发明因此与以下装置划清界限，在这些装置中使用空心阴极辉光放电源。
【背景技术】
[0002]已知的是，在10—2Pa和I Pa之间的低压范围内利用空心阴极电弧放电等离子体可以获得很高的、数量级为112 Cm—3的载流子密度。如果在层沉积时形成层的颗粒遭受这样的等离子体，那么可以获得有利的层特性。
[0003]为此如下装置是已知的，在这些装置中蒸汽特别是针对较大的涂覆面积和高的涂覆速率可以通过以下方式有效地被激活，即空心阴极等离子体仅被用于等离子体激活。这些装置的等离子体放电以直流电来运行。除了空心阴极之外为了生成等离子体所需的阳极在这样的装置中部分地与蒸发设备耦合(DE 196 12 344 Cl)。蒸发坩祸或被布置在蒸发坩祸附近的作为阳极的电极的使用有以下缺点，即装置的功能能力受限于与导电材料的蒸发相关联的等离子体激活。
[0004]此外已知的是，借助磁场来引导等离子体。如果通过合适的磁场产生设备产生纵向的磁场，使得该磁场的一些场力线从空心阴极通向阳极，那么较高能量的辐射电子在其从空心阴极到阳极的路径上在连接的场力线的范围内保持结合并且将高密度的等离子体保持在与衬底的一定的间距中(DE 42 35 199 Cl)。在此不利的是，由于较高能量的辐射电子远离衬底，阻止高的自偏置电位的建立。其它的缺点在于，可应用性保持受限于具有昂贵的磁体系统的蒸发设备的特别的构型。在蒸发绝缘材料的情况下，为了维持阳极处的导电性附加地需要巨大的有关仪器的花费。
[0005]DE 195 46 827 Al描述一种用于蒸发绝缘材料的装置，在该装置中环状的阳极(所谓的环形阳极)直接被布置在空心阴极之前，以便仅通过已经穿过环形阳极的开口的辐射电子来产生对于等离子体激活有效的等离子体。在该情况下，没有干扰性的绝缘层沉积在环形阳极上，因为该环形阳极基本上位于蒸汽范围之外并且该环形阳极通过撞击的辐射电子强烈地被加热。因为蒸汽的等离子体激活的范围位于在空心阴极和阳极之间所建立的电场之外，然而存在以下缺点，即在等离子体中只可以产生比利用包含空心阴极和阳极之间的要激活的范围的装置明显更低的载流子密度。此外，辐射电子的作用距离限制等离子体的几何延伸。
[0006]在DE199 02 146 Al中提出，将两个由先前所提到的文献已知的产生等离子体的、分别包括空心阴极与所属的环形阳极和被连接在其间的直流电压源的设备相对地布置并且在两个空心阴极之间产生双极中频脉冲电压。在该装置中，由于在空心阴极和环形阳极之间的直流电压源，不断地在产生等离子体的设备的空心阴极和所属的环形阳极之间产生等离子体。在两个产生等离子体的设备之一根据双极电压脉冲以阴极被连接的阶段中，以阴极被连接的产生等离子体的设备的等离子体从该设备的空心阴极被吸引直到相对的产生等离子体的设备的环形阳极。以该方式，在两个环形阳极之间形成大体积的空心阴极电弧放电等离子体。在这种技术上要求高的结构的情况下产生不利的影响的是，许多过程参数必须被调节，以便获得始终不变的等离子体条件。
[0007]由WO2013/091927已知具有两个空心阴极电弧放电源的产生等离子体的装置的简化的结构。在此，放弃在空心阴极和所属的电极之间使用直流电压源并且代替于此空心阴极直接或在中间连接限制电流方向的器件的情况下与所属的电极电连接。在这样的装置中也与在其它前述的装置中一样不利地产生效果，即空心阴极和所属的电极在应用在蒸发设备中的情况下遭受材料蒸汽，这导致所述部件的涂覆，这又可以影响等离子体在涂覆过程的运行中的形成。另一个技术问题在于，例如在反应的蒸汽中利用已知的装置不能够单独地利用等离子体激活反应气体，而在此增加的蒸汽颗粒也不同时一同被激活。
【发明内容】
[0008]因此本发明所基于的技术问题是，创建一种用于产生空心阴极电弧放电等离子体的装置，借助该装置可以克服现有技术的缺点。特别是应该利用该装置可产生具有高强度的等离子体。该装置还应该实现，保护产生等离子体的部件以免蒸汽颗粒。此外，该装置还应该在蒸发设备之内实现，单独地利用等离子体激活反应气体。
[0009]该技术问题的解决方案通过具有权利要求1的特征的主题得出。本发明的其它的有利的改进方案由从属权利要求得出。
[0010]根据本发明的装置包括两个空心阴极，所述空心阴极的空心阴极管被工作气体穿流。空心阴极管的开口随后被称为空心阴极的出口或输出口，其中工作气体从该空心阴极管流出。
[0011]根据本发明的装置的两个空心阴极的输出口是朝向彼此的。在此，两个空心阴极可以相对地被布置，使得两个空心阴极管的延长的管轴线是相同的。替代地，但是两个空心阴极管的管轴线也可以彼此具有一定偏差或一个角度。
[0012]此外，脉冲发生器属于根据本发明的装置，该脉冲发生器被电连接在两个空心阴极上并且在两个空心阴极之间产生双极脉冲电压。脉冲在此可以具有IHz到IMHz的范围内的频率。两个空心阴极因此分别交替地用作两个空心阴极之间的空心阴极电弧放电的阴极或阳极。为了在极性变换时禁止在两个空心阴极之间所产生的等离子体的衰变，极性变换应该以至少IkHz的频率来实施。因此已经被证明为有利的是，该脉冲发生器以IkHz到100kHz的范围内的频率来运行。
[0013]在根据本发明的装置中，两个空心阴极之间的空间沿着延长的空心阴极轴线完全被挡板包围并且两个空心阴极分别至少部分地被挡板包围，其中挡板面具有至少一个开口。这样的管形的挡板优选地具有圆形的管横截面，因为该管横截面在技术上能够最简单地控制，但是也可以替代地以任意其它管横截面来构造。同样可以的是，挡板的管横截面沿着延长的空心阴极轴线以变化的管横截面来构造。如果根据本发明的装置例如是蒸发设备的组成部分，则以下的所有材料适合作为这样的挡板的材料，所述材料与相应的蒸发物质不发生不期望的化学反应并且承受得住蒸发温度。因此，例如石墨特别适合作为挡板材料。
[0014]两个空心阴极在这样的根据本发明的管形的挡板的情况下因此插入到挡板管的端面中并且在挡板管内形成空心阴极电弧放电等离子体。通过空心阴极至少部分地被挡板包围，空心阴极比没有挡板的装置的情况下更好地被保护以免蒸汽颗粒。如已经描述的那样，挡板面、即这样的挡板管的侧面具有至少一个开口，由等离子体激活的颗粒可以通过该开口从挡板体积的内部中出来。在本发明的一种实施方式中，根据本发明的管形挡板的端面朝向插入到挡板的端面中的空心阴极密封。这样的在挡板管的端面处的密封不仅引起被挡板包围的体积的进一步的隔离，而且同时有助于空心阴极在其位置中地彼此固定。
[0015]利用根据本发明的装置，不仅所蒸发的材料的蒸汽颗粒、所蒸发的材料结合反应气体的蒸汽颗粒而且仅仅反应气体可以通过等离子体来激活。
[0016]如果在蒸发设备内仅仅反应气体应该利用两个空心阴极的等离子体来激活，则挡板面附加地具有至少一个入口，反应气体通过该入口流进被挡板包围的体积中。在较长的挡板管的情况下能够有益的是，在挡板管的长度上分布地构造多个反应气体入口。在这样的实施方式中为了激活反应气体同样适宜的是，挡板面并非具有仅仅一个、而是多个较小的开口，通过所述开口不仅激活的反应气体颗粒而且空心阴极的工作气体可以从挡板包围的体积中出来。因为开口越大，颗粒越可能从挡板管的周围环境中通过开口到达被挡板包围的体积中并且被那里的等离子体激活，因此较小的开口，这在该实施方式中但是应该被防止。这样的开口在挡板面中允许多大，以便根本没有颗粒能够从挡板周围环境中到达挡板内部中或挡板管的周围环境中的负面地影响所期望的层特性的颗粒没有份额能够到达挡板管的内部中，可以在实验室研究中来确定。
[0017]相反，在本发明的一种替代的实施方式中有利的是，仅仅一个大的开口或至少仅仅少的大的开口在挡板面中被加上，使得蒸汽颗粒也能够到达被挡板包围的体积中或由空心阴极所产生的等离子体也能够在被挡板包围的体积之外扩展，其中在该实施方式中所蒸发的材料颗粒应该单独地或结合反应气体被加载空心阴极电弧放电等离子体。
【附图说明】
[0018]随后借助实施例详细解释本发明。其中:
图1示出用于激活反应气体的根据本发明的装置的示意性的截面图；
图2a示出用于激活蒸汽颗粒的替代的根据本发明的装置的示意性的侧截面图；
图213不出图2a中的管形挡板的俯视的不意图；
图3a示出集成在蒸发容器中的根据本发明的装置的示意性的侧截面图；
图3b示出相对于图3a转动90°的示意性的侧截面图。
【具体实施方式】
[0019]在图1中示意性地示出了根据本发明的装置10。装置10包括两个空心阴极11和12，所述空心阴极相对地并且以出口朝向彼此地布置。在此，两个空心阴极管的延长的管轴线13是相同的。具有圆形的管横截面的由石墨构成的管形挡板14不仅沿着延长的管轴线13包围两个空心阴极11、12之间的空间而且部分地包围两个空心阴极11、12。两个空心阴极11、12因此插入到挡板管的端面中。管形的挡板14的端面朝向空心阴极11、12利用在图1中未示出的介质来密封。所述介质同时引起，空心阴极在挡板管中被固定。两个空心阴极与挡板管的这样的已经固定的系统可以比两个单独的空心阴极更容易地集成在蒸发腔中，所述两个单独的空心阴极必须单独地被固定在蒸发腔中并且彼此被对准。
[0020]电源设备15电连接在两个空心阴极11、12之间并且提供双极中频脉冲电压以用于产生和维持两个空心阴极11、12之间的空心阴极电弧放电。两个空心阴极11、12因此反向地并且交替地用作空心阴极电弧放电的阴极或阳极。在大多应用情况下不可以的是，在仅仅两个商业通用的空心阴极之间形成稳定燃烧的空心阴极电弧放电，因为仅仅利用一个空心阴极管不能从等离子体中抽取为此所需量的电子。因此有利的是，空心阴极具有以下机构，利用所述机构，空心阴极的在电弧放电中变得有效的表面在其阳极阶段中被扩大，以便能够从等离子体中抽取所需量的电子。装置10的空心阴极11和12因此具有环形的由导电材料构成的片16，所述片与相应的空心阴极电接触地固定在空心阴极管上。
[0021]管形的挡板14具有两个入口17，通过所述入口反应气体流入到被管形的挡板14包围的体积中并且该反应气体在管形的挡板14的内部中被那里在两个空心阴极11、12之间形成的等离子体激活。此外，管形的挡板具有多个开口 18，通过所述开口被等离子体激活的反应气体颗粒与工作气体同样地到达管形挡板14的周围环境中，其中该工作气体通过空心阴极11、12流入到被管形挡板14包围的体积中。
[0022]这样的装置10例如可以被布置在蒸发容器之上的过程腔之内并且之后在过程腔内提供被等离子体激活的反应气体颗粒，所述反应气体颗粒可以在过程腔内与从蒸发容器中蒸发的材料颗粒进行反应并且最后被沉积在要涂覆的衬底上。在此，小地选择开口 18的大小，使得流入到挡板管中的反应气体和工作气体在挡板管内产生过压，该过压防止蒸发物质的蒸汽颗粒通过开口 18到达管形挡板14的内部中。如装置10的根据本发明的装置具有以下优点，反应气体能够与蒸发物质分离地利用等离子体来激活，使得至少空心阴极的对于形成空心阴极电弧放电重要的表面区域被保护以免利用蒸发物质的涂覆并且空心阴极彼此的对准通过到管形挡板中的集成而被稳定化。
[0023]在图2a中，示意性地以侧视图示出一种替代的根据本发明的装置20。装置20包括两个空心阴极21和22，所述空心阴极相对地并且以出口朝向彼此地布置。在此，两个空心阴极管的延长的管轴线23是相同的。具有圆形的管横截面的由石墨构成的管形挡板24不仅沿着延长的管轴线23包围两个空心阴极21、22之间的空间而且部分地包围两个空心阴极21、22。两个空心阴极21、22因此插入到挡板管的端面中。管形的挡板24的端面朝向空心阴极21、22利用在图2a中未示出的介质来密封。
[0024]电源设备15电连接在两个空心阴极21、22之间并且提供双极中频脉冲电压以用于产生和维持两个空心阴极21、22之间的空心阴极电弧放电。两个空心阴极21、22因此反向地并且交替地用作空心阴极电弧放电的阴极或阳极。装置20的空心阴极21和22同样具有环形的由导电材料构成的片26，所述片与相应的空心阴极电接触地固定在空心阴极管上。
[0025]装置20与图1中的装置10的区别在于，管形的挡板24例如没有准许反应气体进入的入口。此外，管形的挡板24不具有多个较小的开口，而是仅仅具有一个较大的开口28。在图2b中，示意性地以俯视示出图2a中的挡板24，从俯视中更明显地得知开口 28的大小。
[0026]如装置20的根据本发明的装置同样可以被布置在蒸发容器之上的过程腔之内并且可以在以下情况下应用，即从蒸发容器中蒸发的材料在等离子体的作用下应该反应地或也不反应地被蒸发。由于开口 28的大小，从蒸发容器上升的材料颗粒可以到达由空心阴极21、22产生的等离子体的作用区域中。尽管如此，空心阴极由于朝下封闭的挡板24而被保护以免上升的材料蒸汽的直接影响。
[0027]在图3a中示意性地以侧截面图描绘蒸发设备30，其中集成有根据本发明的装置，该装置具有针对图1中的装置10来描述的所有特征。
[0028]装置30具有蒸发容器39，要蒸发的材料40位于该蒸发容器中。在材料40之上，根据本发明的装置的管形挡板34穿过蒸发容器39的两个相对的壁延伸。两个空心阴极31、32插入到管形挡板34的端面中。同样属于图3a中的根据本发明的装置的有:环形的片，但是由于更好的清楚性在图3a中没有示出，所述环形的片被固定在空心阴极管上并且扩大所述空心阴极管的表面;至少一个入口，反应气体通过该入口流入到被环形挡板34包围的体积中；以及电源设备，该电源设备产生双极脉冲电压并且因此在空心阴极31、32之间产生空心阴极电弧放电等离子体。管形挡板34还具有多个小的开口 38，借助空心阴极电弧放电等离子体激活的反应气体颗粒能够通过所述开口出来进入到管形挡板34的周围环境中。
[0029]图3b示出相对于图3a转动90°的示意性的侧截面图并且在此从另一视角阐明了根据本发明的设备在蒸发容器之内的位置。
[0030]在图3a、3b示出的蒸发设备30的一种实施方式中，蒸发容器39也还包括盖板，该盖板位于蒸发容器39上。在此，盖板壁具有多个开口，在蒸发容器39中产生的材料蒸汽结合通过等离子体激活的反应气体通过所述开口出来并且可以沉淀在要涂覆的衬底上。
[0031]在图3中示出的蒸发设备例如可以在以下情况下被使用，即材料应该反应地被蒸发，但是在此应该仅仅反应气体借助等离子体来激活。这例如可以在以下情况下是必需的，即材料蒸汽与空心阴极的接触可以导致材料蒸汽以杂质颗粒的污染，所述杂质颗粒引起所沉积的层的质量降低或者可能材料蒸汽颗粒在空心阴极上的沉积可以导致影响等离子体产生。根据本发明的装置的管形挡板不仅有效地保护材料蒸汽以免与空心阴极的接触而且保护空心阴极以免以材料蒸汽颗粒来涂覆。
【主权项】
1.用于产生空心阴极电弧放电等离子体的装置，包括两个相对布置的空心阴极(11、12)，其中空心阴极(11、12)被连接到脉冲发生器(15)上，所述脉冲发生器在两个空心阴极(11、12)之间产生双极脉冲电压，其特征在于，两个空心阴极(11、12)之间的空间沿着延长的空心阴极轴线(13)被挡板(14)包围并且两个空心阴极(11、12)至少部分地被挡板(14)包围，其中挡板面具有至少一个开口(18)。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，挡板(14)管形地被构造并且两个空心阴极(11、12)在管形挡板(14)的两个端面处插入到挡板管中。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，管形挡板(14)在端面处朝向空心阴极(11、12)密封。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，挡板(14)由石墨构成。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，挡板(14)具有至少一个入口(17)，反应气体能够通过所述入口被引入到由挡板(14)包围的体积中。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，挡板在要蒸发的材料(40)之上穿过蒸发容器(39)延伸。7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，蒸发容器(39)具有盖板，所述盖板具有多个开口。8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，两个空心阴极(11、12)包括机构(16)，利用所述机构扩大空心阴极(11、12)的电极表面。
【文档编号】H05H1/48GK105848400SQ201610062121
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年1月29日
【发明人】H.莫尔格纳, C.梅茨纳, L.德克, T.韦尔纳, H.弗拉斯克
【申请人】弗劳恩霍弗实用研究促进协会