等離子體源和用等離子體增強的化學氣相沉積來沉積薄膜涂層的方法
【專利說明】等離子體源和用等離子體増強的化學氣相沉積來沉積薄膜 涂層的方法
[0001] 本申請是申請日為2009年8月4日、申請號為200980139450. 6、題為"等離子體源 和用等離子體增強的化學氣相沉積來沉積薄膜涂層的方法"的發明專利申請的分案申請。
[0002] 相關申請的交叉引用
[0003] 本申請要求2008年8月4日提交的美國臨時申請US 61/137,839的權益，因此其 整個內容通過參考結合到本申請中。
技術領域
[0004] 本發明一般地涉及一種用于薄膜沉積和表面化學改性的等離子體源。更具體的 是，本發明涉及一種用于等離子體增強的化學氣相沉積（CVD)的線性等離子體源。
【背景技術】
[0005] 本文中所引用的所有美國專利和專利申請以其整體通過參考結合于此。在抵觸的 情況中，將對照包括定義的本說明書。
[0006] 薄膜的沉積可以由許多技術實現，最常見的包括化學沉積、物理沉積和兩者的混 合。對于化學沉積，眾所周知的技術是鍍敷、化學溶液沉積（CSD)和化學氣相沉積（CVD)。 鍍敷和CSD通常利用液態的化學前驅，而CVD通常利用氣態的化學前驅。所述技術可以在大 氣壓力或者真空條件下執行。對于物理沉積，眾所周知的技術是熱蒸發、濺射、脈沖激光沉 積和陰極弧沉積。所述物理沉積技術通常應用真空條件，以便沉積所要求的薄膜材料。關 于化學沉積，最常見的技術是CVD，然而對于物理沉積，最常見的技術是濺射。
[0007] CVD通常需要引入能源，以便產生這樣的條件，前驅氣體將粘附或者粘著到基板表 面上。換句話說，將不會發生粘附到表面上。例如，在熱解CVD過程中，由此希望在平板玻 璃基板上沉積出薄膜涂層，一般是加熱玻璃基板。加熱的玻璃基板起到CVD能源的作用，并 且當前驅氣體接觸加熱的玻璃基板時，前驅氣體粘附到熱的玻璃表面上。加熱的表面還提 供了產生前驅氣體所需的能量以發生化學反應來形成最薄的薄膜涂層成分。
[0008] 等離子體還能起到用于CVD型加工的能源的作用，通常所說的等離子體增強的化 學氣相沉積（等離子體增強的CVD)或者等離子體增強的化學氣相沉積（PECVD)。等離子體 是由部分電離的氣體和自由電子組成的，并且各個部分具有稍微獨立地移動的能力。該獨 立的運動使等離子體導電，以便其可以對電磁場作出反應。該導電性提供了與其他已知的 化學和物理沉積技術相比具有許多優點的PECVD工藝。
[0009] 在PECVD工藝中，沉積材料一般是由前驅氣體獲得的。所述前驅氣體的實例對本 領域的技術人員來說是眾所周知的。例如，如果將沉積硅基薄膜，則常見的前驅氣體是硅 烷、SiH 4。當SiH4遭受等離子體源時，等離子體可以起到將硅烷分子的能級提高到其將與表 面起反應并且附著成結實的層的作用。更具體地說，SiH 4被電離，使其電子移動到更高的能 級。這伴隨有隨后的氫原子的剝離。離子化分子具有可用的敞開式反應物地點，并且如果 在存在例如氧氣的反應性氣體的情況下，則可以輕易地形成SiO 2薄膜。如果離子化分子不 在存在反應性氣體的情況中，則可以形成硅的薄膜。前驅氣體的化學作用存在元素的過剩， 并且因此，存在可以通過PECVD沉積的元素和材料的大的可用性。在沒有限制的情況中，可 由PECVD沉積類型的薄膜為透明的導電氧化物薄膜涂層、日照控制及光學薄膜涂層和半導 體薄膜涂層。本領域的普通技術人員將認識并了解到能夠通過PECVD沉積的其他種類的薄 膜涂層。
[0010] 因此，在表面產生等離子體是常見的工業實踐，特別是在涂覆行業中。已經開發出 許多設備來產生并且形成等離子體。大部分已知的設備產生成形為圓柱形的等離子體噴 流，其具有許多用于涂覆和表面處理的實際應用。然而，線性的等離子體可能具有更多的實 際應用。可以使線性的等離子體在大型的基板表面積上工作，這對大面積的玻璃涂覆、紡織 品涂覆和多部件的批量涂覆是有用的。
[0011] 迄今為止，大部分已知的PECVD裝置是用于小尺寸的（即<lm2)的沉積，因為大部 分等離子體源是非常短的并且可能僅涂覆小的面積。因此，已經難以實施應用于大面積涂 覆的PECVD。然而，已經存在設計成用于涂覆大面積表面的PECVD裝置。這包括（但不限 于）磁電管源、陽極層離子源和Madocks源。
[0012] 然而，存在與使用涂覆大面積表面的前述PECVD裝置有關的缺陷。例如，磁電管源 傾向于非常龐大，一般為150毫米寬乘300毫米深，并且需要磁鐵。此外，當被用于PECVD 時，磁電管源的表面趨向于涂覆有沉積的材料，并且因此，使磁電管絕緣，這可能產生弧光 及其他并發情況。此外，濺射的材料損害了沉積的材料。陽極離子層源例如遭受和磁電管 源類似的缺陷，其中它們傾向于龐大，需要磁鐵以及被涂覆。此外，離子層源傾向于按低速 (0. 1 μ m/秒）沉積PECVD材料。Madocks源例如遭受龐大和需要磁鐵以及低涂覆效率（大 約15% )的缺陷。此外，所有三個前述的源依賴閉路電子漂移（例如霍耳效應）來產生均 勻的等離子體。
[0013] 在不依靠閉路電子漂移或者霍耳效應的情況下有可能產生均勻的等離子體。做到 這的常見途徑是具有兩個相對于彼此基本上平行定位的電子發射表面，其中電子發射表面 借助于交流電源按雙極和不同相的方式相互連接。當電壓差被應用到所述兩個電子發射表 面上時，可以產生等離子體。兩個電子發射表面之間的極性按一些預定的頻率被從正極轉 換為負極，并且等離子體均勻地傳 播開。
[0014] 已經開發出基于平行的電子發射表面的等離子體源。一種所述源為空心陰極源， 例如美國專利US6, 444, 945中所描述的那樣。更具體地說，美國專利US 6, 444, 945中所描 述的等離子體源包括由連接到雙極性交流電源上的兩個空心陰極形式所組成的，如圖1所 示。等離子體源包括第一和第二空心陰極結構1和2。兩個空心陰極結構1和2通過導線 6電連接到交流電源5上，該交流電源5產生交流電流來驅動等離子體3的形成。當空心陰 極結構之一經受負電壓時，另一個空心陰極結構經受正電壓，在所述空心陰極結構之間產 生電壓差并且促使電流在所述結構之間流動，從而完成電路。選擇性地，磁鐵4可以設置在 各個空心陰極的開口附近，以增加空心陰極結構1和2之間的等離子體電流。然而，美國專 利US 6, 444, 945未說明所公開的空心陰極對于任何PECVD工藝或者對于大面積表面涂覆 的使用。
[0015] 因此，關于等離子體源或者PECVD源，在大面積涂覆技術中還有一種需求是可以 產生相當長（即長度大于0.5米）的均勻且穩定的等離子體。此外，關于PECVD源，在現有 技術中還有一種需求是細密的并且可以通過高涂覆效率地沉積出涂層。此外，關于PECVD 源和工藝，在現有技術中還有一種需求是在操作期間消耗更少的能量，以便降低總運行成 本。
【發明內容】
[0016] 本發明提供了一種等離子體源，包括：
[0017] i)n個電子發射表面的陣列；其中η表不陣列中的電子發射表面的數量；其中η在 4至20的范圍內；其中每個電子發射表面通過氣體容納空間與至少一個相鄰的電子發射表 面分離開；以及
[0018] ii)電源，電子發射表面與所述電源電連接，所述電源被構造為供應在正負之間交 替的電壓；其中向每個電子發射表面供應與供應至至少一個相鄰的電子發射表面的電壓不 同相的電壓，生成在相鄰的電子發射表面之間流動的電流；其中所述電流在相鄰的電子發 射表面之間產生等離子體；并且其中，等離子體用作用于激勵、部分地分解或完全分解前驅 氣體的能源。
[0019] 本發明還提供了一種等離子體源，包括：
[0020] i)n個電子發射表面的陣列；其中η表不陣列中的電子發射表面的數量；其中η等 于2 ;其中每個電子發射表面通過氣體容納空間與至少一個相鄰的電子發射表面分離開； 以及
[0021] ii)電源，電子發射表面與所述電源電連接，所述電源被構造為供應在正負之間交 替的電壓；其中向每個電子發射表面供應與供應至至少一個相鄰的電子發射表面的電壓不 同相的電壓，生成在相鄰的電子發射表面之間流動的電流；其中所述電流在基本上沒有霍 爾電流的情況下在相鄰的電子發射表面之間產生等離子體；并且其中，等離子體用作用于 激勵、部分地分解或完全分解前驅氣體的能源。
[0022] 此外，本發明還提供了一種等離子體源，包括：
[0023] i)n個電子發射表面的陣列；其中η表不陣列中的電子發射表面的數量；其中η等 于4 ;其中每個電子發射表面通過氣體容納空間與至少一個相鄰的電子發射表面分離開； 以及
[0024] ii)電源，電子發射表面與所述電源電連接，所述電源被構造為供應在正負之間交 替的電壓；其中向每個電子發射表面供應與供應至至少一個相鄰的電子發射表面的電壓不 同相的電壓，生成在相鄰的電子發射表面之間流動的電流；其中所述電流在相鄰的電子發 射表面之間產生等離子體；并且其中，等離子體用作用于激勵、部分地分解或完全分解前驅 氣體的能源。
[0025] 在本發明的一方面，提供了一種穩定的、均勻的和長的等離子體。
[0026] 在本發明的一方面，提供了一種能夠形成穩定的、均勻的和長的等離子體的等離 子體源。
[0027] 在本發明的一方面，提供了一對起線性等離子體源作用的電子發射表面。
[0028] 在本發明的一方面，提供了一系列起雙極性等離子體源作用的電子發射表面。
[0029] 在本發明的另一方面，提供了一種形成穩定的、均勻的和長的線性等離子體的方 法。
[0030] 在本發明的另一方面，提供了一種形成穩定的、均勻的和長的雙極性等離子體的 方法。
[0031] 在本發明的另一方面，提供了一種起到前驅氣體的能源作用的等離子體。
[0032] 在本發明的另一方面，提供了一種將前驅氣體輸送至等離子體源的方法。
[0033] 在本發明的又一方面，提供了一種使用穩定的、均勻的長等離子體來形成大面積 的涂層的方法。
[0034] 在本發明的又一方面，提供了一種借助于磁鐵所產生的增密的等離子體。
[0035] 在本發明的又一方面，提供了一種使增密（或致密）的等離子體源彎曲的方法。
[0036] 在本發明的又一方面，提供了一種提高由PECVD工藝沉積的涂層的涂覆效率的方 法。
[0037] 在本發明的又一方面，提供了一種增強次級電子流的PECVD設備。
[0038] 根據發明的優選實施方式的原理，通過提供至少2個借助于交流電源相互連接的 電子發射表面來獲得所述及其他優點，其中所述交流電源向所述2個電子發射表面提供變 化的或者交替的雙極性電壓。更具體地說，至少2個電子發射表面經由交流電源相互連接， 以便所述交流電源向所述兩個電子發射表面施加雙極性的電壓差。所述雙極性電源最初驅 動第一電子發射表面至負電壓，提供等離子體結構，同時第二電子發射表面被驅動至正電 壓，以便起到電壓施加電路的正極的作用。然后，這驅動第一電子發射表面至正電壓，并且 顛倒負極和正極的作用。當電子發射表面中的一個被驅動至負極時，在相應的腔體內形成 放電。然后另一個負極形成正極，促使電子從等離子體中逸出并且行進至陽極側，從而連通 電路。
[0039] 根據本發明的