專利名稱：等離子體發(fā)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及等離子體發(fā)生裝置。
等離子體發(fā)生裝置具有在受控環(huán)境內(nèi)彼此分開設(shè)置的陰極和陽極，該受控環(huán)境包含處于低壓下的一種放電氣體或氣體混合物。當(dāng)在兩個電極之間施加足夠的熱量和電壓時，氣體內(nèi)形成電子發(fā)射，導(dǎo)致放電和輻射。通常，輻射主要在UV(紫外)或VUV(真空紫外)范圍內(nèi)。
作為等離子體顯示領(lǐng)域的已有技術(shù)，可以提及的是美國專利US-A-5705886、US-A-5663611和歐洲專利申請EP-A-0764965。
根據(jù)本發(fā)明的等離子體發(fā)生裝置使用由寬帶隙材料制成的陰極或者包括寬帶隙材料的陰極，寬帶隙材料具有大于2eV的帶隙，諸如摻雜的金剛石、AlN、GaN或AlGaInN合金。對于金剛石，特別合適的摻雜(物)為氮、硫、磷或硼加氮共同摻雜；對于AlN、GaN或AlGaInN合金，特別合適的摻雜(物)為硅、鋅或硅加鋅共同摻雜。這種陰極可以通過例如化學(xué)汽相淀積(CVD)、濺射、分子束外延技術(shù)或氫化物汽相物理蒸發(fā)制造，或者通過其他塊狀晶體制造技術(shù)形成，并且可以使用例如電阻加熱或感應(yīng)加熱(交流或射頻)直接或間接地加熱，以便電子主要通過熱離子發(fā)射而從陰極發(fā)射出來。也可以在陽極和這種陰極之間施加有效的電壓，使電子主要通過場致發(fā)射而從陰極發(fā)射出來。與金屬陰極相比，在根據(jù)本發(fā)明的裝置中陰極的離子轟擊可以增強(qiáng)電子的二次發(fā)射。
與大多數(shù)其他材料相比，金剛石的各種物理特性的幅值幾乎總是表現(xiàn)為任一給定特性的已知數(shù)值范圍的最大值或最小值。作為電子應(yīng)用的材料，金剛石的功效是從這些最小值和最大值的選擇組合得到的。下面的表l列出了選擇的與電子應(yīng)用相關(guān)的金剛石特性。CVD金剛石具有幾乎與單晶塊狀金剛石相同的特性，同時顯示出從商業(yè)角度講批量制造的潛能，對于電子應(yīng)用中所使用的金剛石而言，CVD金剛石表現(xiàn)出最大的可能性。
表1
金剛石的最令人感興趣的特性之一是其(111)表面的所謂負(fù)電子親和力(NEA)。低的電子親和力使得金剛石薄膜能在低至0.5V/μm的場強(qiáng)下發(fā)射電子。(111)表面不僅可以呈現(xiàn)NEA，而且它還對由于暴露于原子氧、原子氫、空氣或水造成的陰極特性的毒化有極強(qiáng)的抵抗性。金剛石陰極的預(yù)期電弧不能破壞其NEA特性。由此(111)取向的金剛石尖端具有低的濺射量和長的發(fā)射器件壽命。金剛石是一種間接帶隙半導(dǎo)體，其能量最低點(diǎn)沿<111>方向，并且金剛石的發(fā)射密度超過大多數(shù)半導(dǎo)體的10倍(106A/cm2)。已經(jīng)確定與(111)面相切射出的電子幾乎是單一能量的，并且在真空微電子學(xué)領(lǐng)域中這可以很好地用于降低電子束噪聲。金剛石中電子和空穴的高電場漂移速度超過其他材料。電子遷移率超過硅，空穴遷移率僅低于鍺?；诤芨叩慕殡姀?qiáng)度、高的熱導(dǎo)率、由于其低的輻射俘獲截面形成的高的抗輻射性以及很高的載流子速度，其作為高功率、高性能的等離子體發(fā)生陰極的有益特征估計可與金屬相比或更好。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種等離子體發(fā)生裝置，它包括一個陽極和一個陰極，陰極由寬帶隙材料制成或者包括寬帶隙材料，陽極為筒形并且相對于陰極軸向分開，至少陽極的主要部分不圍繞陰極，并且圍繞陰極有一個絕緣護(hù)套，該裝置被放置在一個封閉容器(coating chamber)內(nèi)。
陽極最好絲毫不圍繞陰極。
所述材料的帶隙最好大于2eV。
陰極由以下材料制成或者包括以下材料摻雜的金剛石；CVD摻雜的金剛石；GaN、AlN或AlGaInN合金；摻雜Zn、Si或Zn+Si的GaN、AlN或AlGaInN合金；或者其他摻雜的氮化物、硼化物或氧化物。
陰極可以是由摻雜的寬帶隙材料制成的或包括寬帶隙材料的獨(dú)立元件，或者包括一個金屬構(gòu)架和在構(gòu)架上的一層摻雜的寬帶隙材料。金屬為耐熔金屬或者能為寬帶隙材料提供良好粘結(jié)性的金屬。在這種情況下，寬帶隙材料可以包括摻雜的金剛石，金屬為鎢、鉬或鉭。
陰極可以呈圓頂形、筒形或帽形。
該等離子體發(fā)生裝置可以包括一個外部螺線管磁性線圈以及用于供給主要放電氣體或氣體混合物和輔助反應(yīng)氣體或氣體混合物的裝置。這種等離子體發(fā)生裝置還包括一個用于等離子體的磁均化器，以提高等離子體均勻性。
護(hù)套是由石英或高溫陶瓷材料制成的或者包括石英或高溫陶瓷材料。
陰極可以由直流電流直接加熱、由感應(yīng)射頻信號直接加熱或者由輔助電阻加熱器間接加熱。
優(yōu)選當(dāng)陰極的溫度達(dá)到電子能夠克服寬帶隙材料的勢壘的水平時，電子就從陰極發(fā)射出來，電子發(fā)射主要是由于熱離子發(fā)射，少量的是由于場致發(fā)射。
通過在陽極和陰極之間施加有效的偏壓，陰極還可以用作場致發(fā)射器。
陽極和陰極連接至一個直流電源，用于控制放電電壓和電流。
磁均化器可以是位于等離子體出口頂部的圓形多尖端均化器。
根據(jù)本發(fā)明的等離子體發(fā)生裝置可以與一個或多個其他的材料蒸發(fā)裝置結(jié)合使用，諸如電子束蒸發(fā)裝置、熱蒸發(fā)裝置或?yàn)R射裝置。
下面將參照附圖以舉例方式描述本發(fā)明，附圖中

圖1a和1b是等離子體發(fā)生裝置的側(cè)視剖面圖，其中圖1a所示的不是根據(jù)本發(fā)明的裝置，圖1b所示的是本發(fā)明的一個例子；圖2a和2b是圖1b的裝置的陰極的縱向剖視圖和橫向剖視圖；圖3a和3b、4a和4b以及5a和5b是圖1b的裝置的變換的陰極的縱向剖視圖和橫向剖視圖；圖6是一個多尖端磁均化器的頂視剖面圖，這個磁均化器設(shè)置在圖1b的裝置的基板和陽極之間。
參照圖1a，其中所示的等離子體發(fā)生裝置具有一個圓筒狀的陽極2、一個陰極1和一個外部螺線管磁性線圈3，參考數(shù)字4表示反應(yīng)氣體入口。陽極直接圍繞陰極。整個等離子體發(fā)生裝置被放置在一個封閉容器內(nèi)。按箭頭A方向施加的放電氣體或氣體混合物選自惰性氣體，諸如氬氣、氖氣和氦氣。這個裝置的主要缺點(diǎn)是由正的帶電粒子的直接撞擊造成的陰極的濺射損耗很大，因?yàn)殛枠O很近地圍繞著陰極。這個裝置與使用陰極作為淀積材料的陰極電弧淀積系統(tǒng)相似。
參照圖1b，其中顯示出根據(jù)本發(fā)明的一個例子的等離子體發(fā)生裝置，該裝置具有一個圓筒狀的陽極2、一個陰極1和一個外部螺線管磁性線圈3。陽極相對于陰極在軸向分開，如圖所示，通過一個由石英或高溫陶瓷材料制成的絕緣護(hù)套5，陽極被設(shè)置于陰極的上方(并且陽極沒有圍繞陰極的部分)。整個等離子體發(fā)生裝置被放置在一個封閉容器內(nèi)。陰極可以由直流電流或感應(yīng)射頻信號直接地加熱，或者使用輔助電阻加熱器間接地加熱。當(dāng)陰極的溫度達(dá)到電子能夠克服寬帶隙材料的勢壘的水平時，電子就從陰極發(fā)射出來，電子發(fā)射主要是由于熱離子發(fā)射，少量的是由于場致發(fā)射。通過在陽極和陰極之間僅施加有效的偏壓，陰極1還可以用作場致發(fā)射器。按箭頭A方向施加的主要放電氣體或氣體混合物選自惰性氣體，諸如氬氣、氖氣和氦氣，氣體壓強(qiáng)大于1乇，并且優(yōu)選在約10-6乇和20乇之間。電極1和2連接至一個直流電源，用于控制放電電壓和電流。通過線圈3和陽極2中的孔10和11，可以在箭頭B的方向上提供輔助放電氣體或氣體混合物，輔助放電氣體或氣體混合物選自惰性氣體，諸如氬氣、氖氣和氦氣。
圖1b中的結(jié)構(gòu)是借助于陽極2和護(hù)套5進(jìn)行改進(jìn)的，用以減輕因?yàn)楹芸拷诱珘旱年枠O2而由正的帶電粒子對陰極1造成的直接撞擊。然而，螺線管磁性線圈3仍然將有效地作用于從陰極1發(fā)射出來的電子，并且從陰極1向上流動的電離的惰性氣體還將沿螺旋運(yùn)動運(yùn)載電子。反應(yīng)氣體入口4(位于陽極2的頂部)提供反應(yīng)氣體或氣體混合物，諸如氧氣或氮?dú)?，用以與電離的惰性氣體或氣體混合物和高能電子反應(yīng)。這種劇烈的離子流動可以用于輔助由第二個源產(chǎn)生的材料的薄膜淀積。圓形的多尖端(multicusp)磁均化器6可以放置在等離子體出口的頂部，以提高等離子體的均勻性。
適于陰極1的寬帶隙材料(具有大于2eV的帶隙)的一個例子是摻雜的金剛石薄膜，與常規(guī)陰極材料相比，陰極的金剛石材料具有很高的二次電子產(chǎn)生率。這意味著在等離子體發(fā)生裝置中陰極電壓降減小了，由此使得能夠降低裝置總的功率要求。金剛石在化學(xué)性質(zhì)方面也是非常穩(wěn)定的。這就減少了由于離子轟擊而從陰極濺射的材料量，并且由此減輕了放電污染。陰極材料的低的濺射損耗可以顯著地提高陰極的壽命和等離子體穩(wěn)定性。金剛石還具有很高的熱導(dǎo)率，這樣由間接或直接加熱機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的熱量可以快速地和均勻地傳遞到整個陰極。
由離子轟擊產(chǎn)生的熱量也快速地傳遞到整個陰極。這種高的熱導(dǎo)率將在陰極的整個表面上產(chǎn)生均勻得多的電子發(fā)射。
參照圖2a和2b，由摻雜的寬帶隙材料制成的陰極1是圓管形的。陰極沿軸向安裝在陽極內(nèi)，并且它們之間的一個電路徑用于施加希望的偏壓。圖2a和2b中的陰極1也可以由一個金屬構(gòu)架制成，金屬構(gòu)架上涂覆一層摻雜的寬帶隙材料。金屬構(gòu)架可以是彈簧型線圈或編織的金屬線。
陰極1可以采取各種其他形式，例如在圖3a和3b所示的例子中，陰極為帽形，而在圖4a和4b的例子中它是圓頂形。
圖5a和5b顯示出柵欄形的陰極1，它是由多根矩形柱7的圓形陣列構(gòu)成，柱之間具有間隙8。電接頭固定在陰極柱的頂端和底端。電接頭也可以為陰極提供機(jī)械支撐。
將能理解的是，陰極的各種其他形狀也是可能的，例如，彎曲管或波紋形狀。
圖6詳細(xì)地顯示出多尖端磁均化器6的結(jié)構(gòu)，該均化器可以放置在等離子體發(fā)生裝置和基板(substrate)之間。施加多尖端磁場是用于使等離子體分布均勻化。多尖端磁場是由交替極化的磁體9建立的磁場構(gòu)形，如圖6所示，這種磁場構(gòu)形在多尖端的邊緣形成了強(qiáng)磁場，但在內(nèi)部區(qū)域中幾乎沒有磁場。等離子體中的擴(kuò)散導(dǎo)致在內(nèi)部區(qū)域中均勻的等離子體分布，但邊緣處的強(qiáng)磁場大大地減弱了橫向擴(kuò)散，這就將等離子體約束在多尖端內(nèi)。使用磁場強(qiáng)度410mT的SmCo磁體和1eV的電子溫度的一個例子獲得了1m/s量級的垂直于磁場的離子漂移速度。這比無磁場區(qū)域中的定向離子速度和漂移速度小四個量級，并且足以有效地保證將等離子體約束在多尖端磁場的內(nèi)部區(qū)域中。三十個SmCo磁體的任何陣列都足以建立22cm直徑的多尖端均化器。
權(quán)利要求
1.一種等離子體發(fā)生裝置，包括一個陽極和一個陰極，陰極由寬帶隙材料制成或者包括寬帶隙材料，陽極為筒形并且相對于陰極軸向分開，至少陽極的主要部分不圍繞陰極，并且圍繞陰極有一個絕緣護(hù)套，該裝置位于一個封閉容器內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，陽極絲毫不圍繞陰極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，所述材料的帶隙大于2eV。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，陰極由以下材料制成或者包括以下材料摻雜的金剛石；或者CVD摻雜的金剛石；或者GaN、AlN或AlGaInN合金；或者摻雜有Zn、Si或Zn+Si的GaN、AlN或AlGaInN合金；或者其他摻雜的氮化物、硼化物或氧化物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，陰極是由摻雜的寬帶隙材料制成的或包括寬帶隙材料的獨(dú)立元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，陰極包括金屬構(gòu)架和在構(gòu)架上的摻雜的寬帶隙材料層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中，金屬為耐熔金屬或者能為寬帶隙材料提供良好粘結(jié)性的金屬。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的裝置，其中，寬帶隙材料包括摻雜的金剛石，并且金屬為鎢、鉬或鉭。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，陰極為圓頂形。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，陰極為筒形。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，陰極為帽形。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，它包括外部螺線管磁性線圈以及用于供給主要放電氣體或氣體混合物和輔助反應(yīng)氣體或氣體混合物的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，包括用于等離子體的磁均化器，以提高等離子體均勻性。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，護(hù)套是由石英或高溫陶瓷材料制成的或者包括石英或高溫陶瓷材料。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，陰極由直流電流直接加熱。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，陰極由感應(yīng)射頻信號直接加熱。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，陰極由輔助電阻加熱器間接加熱。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，當(dāng)陰極的溫度達(dá)到電子能夠克服寬帶隙材料的勢壘的水平時，電子就從陰極發(fā)射出來，電子發(fā)射主要是由于熱離子發(fā)射，少量的是由于場致發(fā)射。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，通過在陽極和陰極之間施加有效的偏壓，陰極還可以用作場致發(fā)射器。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，陽極和陰極連接至一個直流電源，用于控制放電電壓和電流。
21.根據(jù)權(quán)利要求13的裝置，其中，磁均化器是位于等離子體出口頂部的圓形多尖端均化器。
全文摘要
本申請公開了一種等離子體發(fā)生裝置,它包括一個陽極(2)和一個陰極(1),陰極由寬帶隙材料制成或者包括寬帶隙材料,陽極為筒形并且相對于陰極軸向分開,圍繞陰極有一個絕緣護(hù)套(5)。
文檔編號H05H1/32GK1340990SQ0111929
公開日2002年3月20日 申請日期2001年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月8日
發(fā)明者王望南 申請人:王望南