專利名稱：等離子體發(fā)生裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及進行真空電弧放電產(chǎn)生等離子體的等離子體發(fā)生裝置，更詳細地說涉及這樣的等離子體發(fā)生裝置，它在等離子體的起動、維持、停止的所謂順序操作長時期地反復進行時，于等離子體發(fā)射出的陰極面上將具有微細凹凸形狀的陰極面的凸部前端作為等離子體的發(fā)射點，當上述凸部前端由于等離子體的發(fā)射而消耗后，則于繼后的等離子體起動時，將另一凸部前端作為新的等離子體的發(fā)射點，而能長期間歇式地發(fā)生等離子體。
背景技術：
一般，周知于等離子體中通過在固體材料的表面上形成薄膜或是注入離子而可以改善固體的表面特性。利用含金屬離子或非金屬離子的等離子體形成的膜，可以用于增強固體表面的耐磨耗性、耐腐蝕性，能夠用作保護膜、光學薄膜與透明導電膜等。特別是利用碳等離子體形成的碳素膜，作為由金剛石結構與石墨結構混晶組成的金剛石類碳膜(稱為DLC膜)，有很高的利用價值。
作為含金屬離子或非金屬離子的等離子體發(fā)生方法有真空電弧等離子體法。真空電弧等離子體是通過陰極與陽極間發(fā)生的電弧放電形成，從陰極表面上存在的陰極點蒸發(fā)陰極材料，由此陰極蒸發(fā)物質(zhì)形成等離子體。此外，在導入反應性氣體或/和惰性氣體(稀有氣體)作為保護氣體時，此反應性氣體或/和惰性氣體會同時離子化。利用這種等離子體能夠進行于固體表面上成膜或離子注入等表面處理加工。
在等離子體發(fā)生裝置中的等離子體發(fā)生部中，當電流流過接觸狀態(tài)下的陰極與觸發(fā)電極時，由于將陰極與觸發(fā)電極拉開，便感應等離子體的發(fā)生。在等離子體發(fā)生部，通過真空電弧放電，陰極材料離子、電子、陰極材料的中性粒子(原子與分子)所謂真空電弧等離子體組成粒子便發(fā)射出，同時還發(fā)射出從亞微米以下到數(shù)百微米(0.01～1000μm)大小的陰極材料微粒(以下稱為微粒)。
本發(fā)明人等之中的一部分人提出了利用上述的真空電弧放電的等離子體加工法。此方法已作為特開2002-8893號公報(特許文獻1)公開，示明于圖7中。圖7是已有的等離子體發(fā)生裝置中等離子發(fā)生部102的結構圖。在設于真空室內(nèi)的等離子體發(fā)生部102中，于陰極104和陽極140之間，作為發(fā)生等離子體108的初始階段，由觸發(fā)電極106產(chǎn)生電火花，誘發(fā)等離子體108。此觸發(fā)電極106附設有未圖示的能進行上下驅(qū)動的驅(qū)動裝置，通過此驅(qū)動裝置使觸發(fā)電極106的前端接觸陰極面104a，通過電弧電源122給接觸點施加電壓。電流集中于此接觸點上，當觸發(fā)電極106脫離開陰極面104a便產(chǎn)生電火花，誘發(fā)等離子體108。
但在發(fā)生等離子體108后，陰極面104a上便形成發(fā)射孔104b。亦即形成此種發(fā)射孔104b內(nèi)的陰極材料的等離子體生成物質(zhì)就作為等離子體構成粒子或微粒發(fā)射出。當觸發(fā)電極106接近上述發(fā)射孔104b時，上述觸發(fā)電極106與陰極104之間由于未能形成所希望的接觸狀態(tài)則不能誘發(fā)等離子體。
作為解決上述這種于陰極材料表面上形成發(fā)射孔的方法，在特開2001-192815號公報(特許文獻2)中公開的電極結構中，設有使陰極材料表面再現(xiàn)平面狀的研磨裝置以及使陰極材料轉動的驅(qū)動裝置。圖中雖未示明，但在圖7的等離子體發(fā)生裝置長時間的間歇式運轉情形下，作為以等離子體發(fā)生部的底部上垂直的中心線作為陰極104的回轉軸時，有必要設置使上述陰極104回轉的陰極回轉機構以及由研磨機來研磨陰極面的研磨裝置。這就是說，在上述發(fā)射孔104b形成后，對于發(fā)生下一次等離子體的情形，為了確保上述觸發(fā)電極106與陰極面104a所希望的接觸狀態(tài)，可通過上述陰極回轉機構裝置使陰極104轉動，順次移動此陰極104與觸發(fā)電極106的接觸位置。
再有，由于反復地真空電弧放電而于陰極面104a上形成了許多發(fā)射孔104b，這會暫時中斷等離子體的間歇式生成過程而要由上述研磨裝置研磨陰極面104a。通常，經(jīng)過這種研磨工序能重新形成平坦的陰極面104a，使觸發(fā)電極106與平坦的陰極面104a具有良好的接觸狀態(tài)，得以再行誘發(fā)等離子體108。但在研磨陰極面104a期間會暫時中斷等離子體108的間歇式發(fā)生，因而便降低了等離子體發(fā)生裝置的運行效率。此外，研磨工程中發(fā)生的粉塵會污染真空室內(nèi)部，影響生成膜的質(zhì)量，需要有回收粉塵和清洗真空室的作業(yè)。
圖7中的以往的觸發(fā)電極106設于陰極面104a的鄰近。此時，由于曝露向等離子體108被加熱，會使觸發(fā)電極106很快地惡化。此外，堆積于觸發(fā)電極106上的膜剝落后會作為污染物混入等離子體108內(nèi)，而會產(chǎn)生妨礙等離子體108的行進問題。為了解決這類問題，在美國專利No.6319 369 B1(特許文獻3)所公開的等離子體生成裝置中設有將觸發(fā)電極移動到離開與等離子體碰撞的位置的驅(qū)動機構，圖8中示明了特許文獻3的等離子體發(fā)生部。
圖8是已有的等離子體發(fā)生裝置中等離子體發(fā)生部的結構圖。具有冷卻水的流入口161與排出口162的陰極冷卻件164設于凸緣165、168之上，陰極104由固定件169固定于上述冷卻件164的上部，附設于陽極140周圍的電磁鐵線圈168會聚等離子體，產(chǎn)生將等離子體導引到等離子體引出口(未圖示，但在圖中的朝上方向)的感應磁場。此外還設有抑制經(jīng)側壁反射的微粒行進的折流板173、反應氣體導入口134與窺伺窗166。
圖8中，觸發(fā)電極106與陰極104的表面處于接觸狀態(tài)，當驅(qū)動機構將觸發(fā)電極106從此接觸狀態(tài)下拉離開陰極表面后，觸發(fā)電極106的前端部106a與陰極表面的接觸位置處形成陰極點，從此陰極點到陽極140的方向形成電弧等離子體。前述驅(qū)動機構由控制器107控制。為了防止上述觸發(fā)電極106因加熱而惡化以及污入物混入等離子體中，同時為了不妨礙上述等離子體的行進，上述觸發(fā)電極106存儲等離子體碰撞回避位置(虛線所示的觸發(fā)電極位置)。但是圖8中陰極104的表面中形成有等離子體發(fā)射孔。因而與圖7相同需要附設上述觸發(fā)器控制裝置與研磨裝置，且必須頻繁地清洗真空室。
特許文獻1特開2002-8893號公報特許文獻2特開2001-192815號公報特許文獻3美國專利6319369在半導體制造過程等之中，對于連續(xù)地給處理對象作等離子體處理時需要長時間地間歇式地運轉等離子體發(fā)生裝置，每當形成陰極104的陰極材料消耗時，必須補充新的陰極材料，但在開啟真空室安裝陰極材料時，雜質(zhì)與污染物會混入真空室內(nèi)，從而隨著陰極材料補充次數(shù)的增多，真空室內(nèi)的污染就難以避免。
再有，隨著與觸發(fā)電極106接觸次數(shù)的增加，陰極面104a上會形成許多發(fā)射孔104b，而為了長期間歇式地運行等離子體發(fā)生裝置，必須定期地研磨陰極面104a來再次形成平坦的陰極面，因而在以往的等離子體發(fā)生部中必須附設陰極面的研磨裝置，而在陰極面104a的研磨處理中就不得不暫時中斷等離子體的生成，亦即前述的研磨處理會顯著地降低應用等離子體發(fā)生裝置進行表面處理加工的處理效率。

發(fā)明內(nèi)容
為此，本發(fā)明的目的在于能實現(xiàn)可長期反復間歇式地進行陰極電弧(真空電弧)等離子體的起動，保持，停止這樣的序列操作的等離子體發(fā)生裝置。
本發(fā)明正是為了達到上述目的而提出的，本發(fā)明的第一形式是這樣的等離子體生成裝置，它是真空氣氛下于設定的等離子體發(fā)生部中進行真空電弧放電，其特征在于在上述等離子體發(fā)生部中設有陰極以及真空電弧的起動與保持用的觸發(fā)器兼陽極，上述陰極的陰極面是平坦的或具有微細的凹凸形，與上述陰極面接觸的觸發(fā)器兼陽極的陽極面則具有平坦表面，它們設置成，在等離子體起動時，上述陽極面至少與上述陰極面的整個表面接合，而上述陰極面上微細的凸部前端與上述陽極面的接觸點便作為等離子體的發(fā)射點。
本發(fā)明的第二形式的等離子體發(fā)生裝置構成為，在上述觸發(fā)器兼陽極中附設有驅(qū)動機構，借助此驅(qū)動機構，上述觸發(fā)器兼陽極可在電弧等離子體起動位置與等離子體碰撞回避位置之間反復移動。
本發(fā)明的第三形式的等離子體發(fā)生裝置構成為，在上述觸發(fā)器兼陽極的底端部分上連接驅(qū)動機構，以此驅(qū)動機構為支點，上述觸發(fā)器兼陽極可在電弧等離子體起動位置與等離子體碰撞回避位置之間反復擺動。
本發(fā)明的第四形式的等離子體發(fā)生裝置中，上述觸發(fā)器兼陽極構成為具有狹窄寬度的陽極底端部分和廣寬度的陽極前端部分的錘形，而此陽極前端部分的前端面構成為上述陽極面。
本發(fā)明的第五形式的等離子體發(fā)生裝置中，在上述觸發(fā)器兼陽極中設有永磁鐵或電磁鐵。
本發(fā)明的第六形式的等離子體發(fā)生裝置中，上述觸發(fā)器兼陽極的前端部分是由等離子體生成物質(zhì)構成。
本發(fā)明的第七形式的等離子體發(fā)生裝置中，設有將形成上述陰極的陰極材料順次供給等離子體發(fā)生部的陰極材料裝填裝置，在串聯(lián)設置的許多條形的陰極材料內(nèi)，處于最前端的陰極材料成為上述陰極，而在陰極消耗后使后續(xù)的陰極材料前進而作為新的陰極材料。
本發(fā)明的第八形式的等離子體發(fā)生裝置中，設有收容陰極材料的存儲室，以將陰極材料補充給上述陰極材料裝填裝置。
根據(jù)本發(fā)明的第一形式，使具有平坦表面的陽極面與具有平坦或微細凹凸形狀的陰極面的凸部前端接觸，讓電流流過此接觸點則能感生等離子體。在由于電弧等離子體的發(fā)射致上述凸部前端蒸發(fā)的情形下，于下一次等離子體起動時，能同上述陽極面接觸的另一凸部前端會成為新的等離子體發(fā)射點，而可連續(xù)不斷地發(fā)射等離子體。過去的觸發(fā)器兼陽極的前端形成棒狀，在使此觸發(fā)器兼陽極與上述陰極面接觸而發(fā)射等離子體時，會在上述陰極面上形成大小約對應于觸發(fā)器兼陽極的前端直徑的發(fā)射孔。這就是說，在真空電弧放電中，充填到陰極內(nèi)的陰極材料會作為等離子體或細微粒子發(fā)射。此外，由于陰極點具有不停留于一定處所而移動的性質(zhì)，即便只是約數(shù)秒鐘的放電，當次數(shù)增多時也會逐漸使陰極表面粗糙。一般，觸發(fā)電極接觸場所的周圍會產(chǎn)生侵蝕。因而在起動、保持、停止長時間斷續(xù)重復地連續(xù)進行的等離子體發(fā)生裝置中需要附設研磨陰極面的研磨部件來定期地研磨陰極面。但是研磨工序中會產(chǎn)生大量的粉塵，污染真空室內(nèi)，同時這也成為降低等離子體發(fā)生裝置運轉率的主要原因之一。
本發(fā)明的等離子體發(fā)生裝置是從陰極面上形成的凸部前端與陽極面接觸的等離子體發(fā)射點產(chǎn)生等離子體，在此凸部前端蒸發(fā)情形下而起動下一等離子體時，可能與上述陽極面接觸的另外的凸部前端便成為新的等離子體發(fā)射點，但即使有幾個凸部前端順次蒸發(fā)，由于能陸續(xù)形成凸部前端，可保持陰極面的微小凹凸形狀，就可從上述陽極面繼續(xù)發(fā)生等離子體，可不用開啟真空室而能穩(wěn)定和繼續(xù)地發(fā)生等離子體，盡管從長時間看來由于陰極面的平均消耗而使陰極面漸次后退，但直到陰極物質(zhì)消失前真空電弧放電繼續(xù)，到陰極完全消失前部能連續(xù)生成等離子體。
根據(jù)本發(fā)明的第二形式，于上述觸發(fā)器兼陽極中附設有驅(qū)動機構，通過此驅(qū)動機構，上述觸發(fā)器兼陽極可在等離體子體起的位置與等離子體碰撞回避位置之間作反復移動。在使上述觸發(fā)器兼陽極脫離開陰極面時將于陰極表面上形成陰極點，從此陰極點朝產(chǎn)生電場的觸發(fā)器兼陽極方向以擴散狀形成真空電弧等離子體。通過將觸發(fā)器兼陽極移動到等離子體碰撞回避位置，便能將按擴散狀發(fā)生的真空電弧等離子體的大部分發(fā)送到取出側。此外，由于等離子體的構成粒子的一部分會到達觸發(fā)器兼陽極，故可維持放電。
根據(jù)本發(fā)明的第三形式，驅(qū)動機構是連接在上述觸發(fā)器兼陽極的底端部分上，由于此觸發(fā)器兼陽極是以此驅(qū)動機構為支點在等離子體起動位置與等離子體碰撞回避位置之間反復擺動，故能實現(xiàn)觸發(fā)器兼陽極的穩(wěn)定擺動。以上述驅(qū)動機構為支點的觸發(fā)器兼陽極的擺動，掃描出圓弧狀軌道，通過陰極與觸發(fā)器兼陽極之間感生的電壓一邊掃描等離子體，同時能在等離子體起動位置到等離子體碰撞回避位置之間圓滑地移動。
根據(jù)本發(fā)明的第四形式，上述觸發(fā)器兼陽極構成為具有狹窄寬度的陽極底端部和廣寬度的陽極前端部的錘形，在等離子體起動時，上述陰極面可與整個陽極面完全接觸，能夠確保上述陽極面與凸部前端有良好的接觸狀態(tài)。此外，觸發(fā)器兼陽極的重心位置位于陽極前端部側，能由單擺式的穩(wěn)定的反復運動構成此觸發(fā)器兼陽極的擺動運動。
根據(jù)本發(fā)明的第五形式，于上述觸發(fā)器兼陽極的前端部上設有永磁鐵或電磁鐵，從而能集中用于在觸發(fā)器兼陽極的中央部分維持電弧放電的等離子流，可以防止在觸發(fā)器兼陽極的周圍有膜附著。在陽極周圍的絕緣體上附著有導電性膜后，這一部分也起到陽極作用，由于陰極點產(chǎn)生的蒸發(fā)物質(zhì)會向著這個部分輸送，結果將降低蒸發(fā)物質(zhì)的利用率。此外，觸發(fā)器兼陽極可以用作活性陽極，具體地說，將永磁鐵或電磁鐵設于此觸發(fā)器兼陽極的前端部中，通過使電流集中到此觸發(fā)器兼陽極的中央部分中，使擴散的等離子體會聚到此觸發(fā)器兼陽極的陽極面之前而能活性地與高度電離化。磁鐵可設置于觸發(fā)器兼陽極的內(nèi)部或外部，特別是在磁鐵增設于陽極內(nèi)部時，由于磁鐵表面不與陰極接觸，就可增強磁鐵的有效性。由于上述永磁鐵或電磁鐵產(chǎn)生的磁場與等離子體的電磁相互作用(羅倫茨力)，等離子體集中于陽極面附近，使等離子體集中。形成等離子體高密度區(qū)(等離子體云團)。從陰極發(fā)射出的中性原子入射到上述等離子體云團內(nèi)時，這種中性子電離化而形成等離子體成分，于是通過上述觸發(fā)器兼陽極構成活性陽極而能高效率地生成等離子體，這就是說，通過使觸發(fā)器兼陽極活性化能使陰極發(fā)生的中性粒子的一部分離子化。換言之，由于能利用無助于成膜的中性粒子的一部分，可以加快成膜速度。
根據(jù)本發(fā)明的第六形式，由于上述觸發(fā)器兼陽極的前端部是由等離子體生成物質(zhì)構成，就可以生成由與陰極不同的物質(zhì)構成的等離子體。例如在把混合了Al的Zno膜形成到被處理物的表面上時，過去需用Al和Zn混合的合金構成陰極，也即生成膜的組成比要依賴于合金的組成比，而想任意地控制生成膜的組成比則是很難的。但由于本發(fā)明的觸發(fā)器兼陽極是由等離子體生成物質(zhì)形成，通過使這種觸發(fā)器兼陽極作為活性陽極(活性陽極通過使電流更集中，能從陽極表面將陽極物質(zhì)微量蒸發(fā))，就可生成含有與陰極材料不同物質(zhì)的等離子體，于是能在表面處理加工中根據(jù)應用目的施行多樣的等離子體處理。此外，將等離子體生成物質(zhì)埋設于陽極面中也可以形成活性陽極。再者，通過于陽極前端中設置永磁鐵或電磁鐵，等離子體集中到陽極面附近的結果會使陽極面本身或等離子生成物質(zhì)表面由于等離子體的熱以及離子與電子的碰撞而加熱，可進一步提高陰極面的等離子體發(fā)生效率。
根據(jù)本發(fā)明的第七形式，設有將陰極材料順次供給等離子體發(fā)生部的陰極材料裝填裝置，能在陰極消耗掉時瞬時補充后續(xù)的陰極材料，構成新的陰極。在真空電弧加工法中，為了防止從外部混入雜質(zhì)與污染物，真空室最好盡可能地不開啟。通過增設本發(fā)明的陰極材料裝填裝置，則可不用開閉真空室來補充陰極材料，而能長時間連續(xù)地產(chǎn)生高密度的等離子體。
根據(jù)本發(fā)明的第八形式，設有收納陰極材料的存儲室，可給上述陰極材料裝填裝置補給陽極材料而能長時期地連續(xù)生成等離子體、能夠在加工部中設定多個被處理物，不中斷加工工序施行等離子體處理。此外，在補給上述陰極材料時，可以不開啟真空室來順次供給陰極材料，得以抑制雜質(zhì)與污染物的混入。


圖1是本發(fā)明的等離子體發(fā)生裝置的剖面結構圖。
圖2是圖1中等離子發(fā)生部的放大圖。
圖3是本發(fā)明的陰極面的凸部前端與陽極面的接觸狀態(tài)的放大圖。
圖4是本發(fā)明的活性陽極型觸發(fā)器兼陽極的說明圖。
圖5是本發(fā)明的活性陽極型觸發(fā)器兼陽極的結構圖。
圖6是附設有本發(fā)明的陰極材料裝置的等離子體發(fā)生部的結構圖。
圖7是已有的等離子體發(fā)生裝置中等離子體發(fā)生部的結構圖。
圖8是已有的等離子體發(fā)生裝置中等離子體發(fā)生部的結構圖。
圖中標號的說明1 真空室2 等離子體發(fā)生部3 陰極材料裝填裝置4 陰極4a陰極面4b、4f凸部前端4c陰極備用材料4d、4e凸部5 等離子體輸送槽6 觸發(fā)器兼陽極6a前端部6b基端部6c陽極面6d磁鐵6e等離子體碰撞6f等離子體生成物質(zhì)8 等離子體9 第一等離子體導向部10第二等離子體導向部12等離子體加工部14被處理物16微粒捕集部18微粒20微粒發(fā)射方向22電弧電源24限制用電阻26絕緣導入端子
26a 絕緣導入端子28驅(qū)動機構30a 電弧穩(wěn)定化磁界發(fā)生器30b 電弧穩(wěn)定化磁場發(fā)生器32連接端子34a 氣體導入系統(tǒng)34b 氣體排出系統(tǒng)35感應磁場發(fā)生器36感應磁場發(fā)生器38a 陰極材料離子38b 陰極材料離子40電子42中性原子或分子43等離子體高密度區(qū)域(等離子體云團)44磁場46a 中性原子發(fā)射方向46b 陰極材料離子發(fā)射方向46c 陰極材料離子發(fā)射方向48電子軌道48a 電子軌道50存儲室52裝填部件54真空膜盒56支持部件58擠壓機構60裝填部102 等離子體發(fā)生部104 陰極104a 陰極面
104b 發(fā)射孔106 觸發(fā)電極108 離子體118 微粒120 微粒發(fā)射方向122 電弧電源124 限制用電阻126 絕緣導入端子130a 電弧穩(wěn)定化磁場發(fā)生器130b 電弧穩(wěn)定化磁場發(fā)生器134 導入口140 陽極161 流入口162 排入口162 排出口164 陰極冷卻部件165 等離子體166 窺視窗167 控制器168 凸緣169 固定部件173 擋板具體實施方式
下面參考附圖詳細說明本發(fā)明的等離子體發(fā)生裝置的實施形式，本發(fā)明中，附設有加工被處理物的等離子體加工部的裝置或未設有等離子體加工部的裝置這兩者都作為等離子發(fā)生裝置包括在內(nèi)。具有等離子體加工部的等離子體發(fā)生裝置也稱為等離子體加工裝置?；蛘?，也可稱為真空電弧蒸鍍裝置、真空電弧等離子體蒸鍍裝置、陰極電弧蒸鍍裝置、電弧離子電鍍裝置，蒸鍍裝置也可稱為成膜裝置、鍍膜裝置、涂層裝置。也可以利用離子注入方法。圖1為本發(fā)明的等離子體發(fā)生裝置的剖面結構圖。通過于本裝置中附設等離子體加工部而成為等離子體加工裝置。
圖1的等離子體發(fā)生裝置基本上包括于真空室1內(nèi)形成的等離子體發(fā)生部2、微粒捕集部16、第一等離子體導向部9、第二等離子體導向部10以及等離子體加工部12。在上述等離子體發(fā)生部2中，陰極4與觸發(fā)器兼陽極6通過絕緣導入端子26與外部電弧電源22連接。對此電弧電源22可以使用一般的直流電源，脈沖電源、直流疊加脈沖電源、交流疊置直流電源等能發(fā)生真空電弧放電的電源。此外，在觸發(fā)器兼陽極6與電弧電源22之間也可插入用于限制(調(diào)節(jié))流過觸發(fā)器兼陽極21的電流的限制用電阻(0.1～10Ω)24。但是，這種情形下的更好形式是增設另外的輔助陽極。圖1中，電源與等離子體輸送導管5連接。等離子體輸送導管5本身起到輔助陽極的作用。顯然，使輸送導管5處在絕緣的電力浮動狀態(tài)下，還可以在導管內(nèi)布設其他用途的輔助陽極。此外，也能將這種輔助陽極用作活性陽極。
在上述等離子體發(fā)生部2中，從陰極4以混合狀態(tài)生成等離子體8與微粒18。從陰極4發(fā)生的微粒18是電中性的，不受磁場影響，因而具有直進移動的特性。如圖1所示，在等離子體輸送導管5內(nèi)，微粒18的行進方向與等離子體8的行進方向大致按T字形分岔，通過由感應磁場發(fā)生器35于第一等離子體導向部9中形成的合成磁場，上述等離子體8曲折而能導向第二等離子體導向部。
上述微粒18朝微粒捕集部16行進，等離子體8則因磁場而朝第二等離子體導向部10行進。此外還設有等離子體加工部12，通過沿第二等離子體導向部10行進的等離子體對被處理物14的表面進行處理加工。在這種等離子體的加工法中還可根據(jù)需要導入反應性氣體。再有，包含等離子體加工部的等離子體加工裝置在本發(fā)明中也稱為等離子體發(fā)生裝置，且包含在本發(fā)明的技術范圍內(nèi)。
等離子體8的組成粒子不僅包含來自等離子體發(fā)生部2的陰極4的蒸發(fā)物質(zhì)或是起源于上述蒸發(fā)物質(zhì)與導入氣體的等離子體化的帶電粒子(離子、電子)，還包括等離子體的原生狀態(tài)的分子、原子等中性粒子。等離子體加工法(真空電弧蒸鍍法)的蒸鍍條件是電流1～600A(更好是5～500A，最好是10～150A)；電壓5～100V(更好是10～80V，最好是10～50V)；壓力10-10～102Pa(更好是10-6～102Pa，最好是10-5～101Pa)。
在等離子體加工部(處理部12)中也有不導入氣體的情形，但可以連接上氣體導入系統(tǒng)34a與氣體排出系統(tǒng)34b。這種系統(tǒng)可采用通用的。通過對氣體導入流量作一定的控制同時控制排氣流量，就能恒定地控制真空室1的整體真空度(壓力)。
導入氣體既可以從等離子體發(fā)生部2導入，也可以從等離子體加工部(處理部)12與等離子體發(fā)生部兩方導入。在從等離子體加工部與等離子體發(fā)生部兩方導入時，氣體的種類可以不同，作為導入氣體，在不使用反應性氣體時，除用于將壓力保持一定的稀有氣體(通常為Ar、He)外，還可適當?shù)厥褂梅磻詺怏w。
上述反應性氣體可與以陰極材料等為源的蒸發(fā)粒子(等離子體粒子)反應，易形成復合物膜，作為反應性氣體可以氮(N2)、氧(O2)、氫(H2)、烴氣(C2H2、C2H4、CH4、C2H6等)，氧化碳氣(CO、CO2)這個組中適當?shù)剡x擇一或多種使用。在此，為了控制反應性，也可與上述稀有氣體混合來調(diào)整反應性氣體的濃度。此外，乙醇等蒸氣，有機金屬氣體或有機金屬液體的蒸氣等也可作為反應性氣體使用。
圖2是等離子體發(fā)生部的放大圖，等離子體發(fā)生部2具有陰極4、觸發(fā)器兼陽極6、電弧穩(wěn)定化磁場發(fā)生器(電磁線圈或磁鐵)30a與30b。上述陰極4是供給等離子體主要組成物質(zhì)的源，它的形成材料只要是具有導電性的固體材料即可，并無特別限制。金屬單體、合金、無機單體、無機化合物(金屬氧化物、金屬氮化物)等可以單獨或混合兩種以上使用。
作為金屬單體有Al、Ti、Zn、Cr、Sb、Ag、Au、Zr、Cu、Fe、Mo、W、Nb、Ni、Mg、Cd、Sn、V、Co、Y、Hf、Pd、Rh、Pt、Ta、Hg、Nd、Pb等。作為合金(金屬化合物)有TiAl、AlSi、NdFe等。作為無機單體有C、Si等。此外，作為無機化合物(陶瓷)則有TiO2、ZnO、SnO2、ITO(銦錫氧化物錫混入氧化銦)、In3O3、Cd2SnO4、CuO等氧化物。還可以分別有TiN、TiAlC、TiC、CrN、TiCN等碳化物、氮化物等。
形成觸發(fā)權兼陽極6前端部6a的材料，通常(不擬蒸發(fā)觸發(fā)器兼陽極物質(zhì)的情形，也即只打算產(chǎn)生陰極蒸發(fā)物質(zhì)的等離子體的情形)即使是在等離子體溫度下也不蒸發(fā)，只要是非磁性材料中具有導電性的固體材料即可，無特別限定。金屬單體、合金、無機單體、無機化合物(金屬氧化物、金屬氮化物)等都可以，它們能夠單獨地或兩種以上混合使用?？梢赃m當?shù)剡x擇用于前述陰極4中的材料。此觸發(fā)器兼陽極6最好由不銹鋼、銅或碳素材料(石墨)等形成。
使觸發(fā)器兼陽極6與陰極4的表面作短暫的接觸然后脫開，就會在陰極4與觸發(fā)器兼陽極6之間產(chǎn)生電火花。電火花發(fā)生后，陰極4與觸發(fā)器兼陽極6之間便減少電阻而在其間發(fā)生真空電弧。觸發(fā)器兼陽極的基端部6b的形成材料最好由不銹鋼或銅等形成。更好是用陶瓷等使觸發(fā)器兼陽極6的基端部6b的外壁絕緣，只使觸發(fā)器兼陽極的前端具有作為陽極的功能。觸發(fā)器兼陽極6a的形成材料可以采用高熔點金屬即通用的MO(熔點2610℃)或W(熔點3387℃)、碳材，而最好是石墨。
電弧穩(wěn)定化磁場發(fā)生器30a與30b設置于等離子體發(fā)生部2的真空室的外周，使通過真空電弧的陰極點以及電弧放電發(fā)生的等離子體8穩(wěn)定化。在為了使相對于等離子體所加磁場相互成相反方向(凹劈形)而設置有穩(wěn)定化磁場發(fā)生器30a與30b時，等離子體8會更為穩(wěn)定，在優(yōu)先考慮等離子體8的引出效率的情形或是將觸發(fā)器兼陽極6對向陰極面4置于不妨礙等離子體進行的位置時，也可以作使施加磁場相互同方向(鏡面形)的配置。在此雖然將電弧穩(wěn)定化磁場發(fā)生器30a設置于真空室1的外周，但也可將配置于真空室1的端部中陰極4的絕緣導入端子26a的附近。
圖3為陰極面4a中凸部前端4b或4f與陽極面接觸狀態(tài)的結構圖，圖(3A)是凸部前端4b與陽極面6c的接觸狀態(tài)的結構圖。凸部前端4b與陽極面6c在接觸點相連接。當電流流過此接觸點使觸發(fā)器兼陽極6脫開陰極面4a時就會引發(fā)電火花，由此電火花便感應等離子體的發(fā)生，此后，作為等離子體8或微粒18發(fā)射出，凸部4d便消失。
圖(3B)是凸部前端4f與陽極面6c的接觸狀態(tài)的結構圖。在(3B)中，(3A)的凸部4d消失，凸部前端4f與陽極面6c接觸而成為陰極點。此外，當由于真空電弧放電使凸部4e消失后，最接近陽極面6c的另一凸部便成為陰極點。在前述的等離子體發(fā)射機構中，一個凸部放電變成凹部，其結果是形成新的凸部，陰極面常常具有凹凸面，陰極4便會陸續(xù)消耗而逐漸后退，于是陰極面常常保持凹凸形狀而此陰極面的凸部便形成良好的陰極點。
圖4是活性陽極型觸發(fā)器兼陽極的說明圖。在活性陽極型的觸發(fā)器兼陽極6內(nèi)設有磁鐵6d(電磁鐵或永磁性)。在實際工作中，磁鐵6d是埋設于觸發(fā)器兼陽極6內(nèi)，因而以永磁鐵較易處理。由磁鐵6d產(chǎn)生的磁場44增大了陽極面表面附近的磁力線密度。于是在陽極面附近，陰極面4a放射出的電子40由于拉莫爾運動而卷入磁力線中，結果便增大了上述陽極面附近的電子密度，而與這些電子拉近的離子在一起形成了等離子體的高密度區(qū)43。
在此是將陰極發(fā)射出的電子的軌道48a、離子發(fā)射方向46c、中性原子發(fā)射方向46a以及等離子體的高密度區(qū)域43(等離子體云團)作模式的表示，而并未記述實際中各種粒子的行進軌道。上述活性型觸發(fā)器兼陽極6的前端部6a或陽極面6c也可由等離子體生成物質(zhì)形成。此時，通過由與陰極4不同的物質(zhì)形成觸發(fā)器兼陽極6的前端部6a或陽極面6c，可以生成由兩種元素構成的等離子體。
再有，上述陰極4沿中性原子發(fā)射方向46a發(fā)射出的中性原子42入射到等離子體的高密度區(qū)43，此中性原子42電離化而形成等離子體成分(以下稱為“再活性化”)。于是，通過使上述觸發(fā)器兼陽極6形成活性陽極，可高效率地生成等離子體。
圖5為活性陽極型觸發(fā)器兼陽極的結構圖。在上述觸發(fā)器兼陽極前端的一部分中設置等離子體生成物質(zhì)，也可作為活性陽極，圖(5A)為設有磁鐵6d與等離子體生成物質(zhì)6f的觸發(fā)器兼陽極6的結構圖。在此觸發(fā)器兼陽極6的前端部6a中設置磁鐵6d。如前所述，通過于前端部設置磁鐵6d，于陽極面附近形成等離子體的高密度區(qū)。構成高密度區(qū)的等離子體通過熱以及離子、電子碰撞加熱或濺射，導致此陽極面中埋設的等離子體生成物質(zhì)的蒸發(fā)。圖(5B)為設有等離子體生成物質(zhì)6f的觸發(fā)器兼陽極的結構圖。此觸發(fā)器兼陽極未設磁鐵。此時也能從陽極面釋出等離子體，可以形成含有與陰極材料不同物質(zhì)的等離子體。
圖6為附設有陰極材料裝填裝置3的等離子體發(fā)生部2結構圖的一個例子。此陰極材料裝填裝置3的基本結構由陰極預備材料4c與裝填部60構成。運行中，隨著陰極4的減少，從裝填部60擠壓出陰極備用材料4c。于是，即令上述陰極4耗盡時也不會中斷等離子體的發(fā)生，可以補充陰極材料連續(xù)地生成等離子體。上述裝填部60包括推進陰極材料的裝填部件52，用以在真空中擠壓此裝填部件52的真空膜盒54，裝填部件52的擠壓機構58以及用于將上述裝填部件圓滑插入的支承件56。圖中雖未示明，為了從存儲室50補充陰極備用材料4c，當裝填部件52前進超過陰極備用材料4c的長度時，可附設使此裝填部件52返回后方的驅(qū)動裝置。此外，也可不用真空膜盒而將整個擠壓機構置入真空槽內(nèi)。
通過將存儲室50附設于上述陰極材料裝填裝置3中，可以長時間地連續(xù)運行。在存儲室50內(nèi)存儲有陰極備用材料4c，當陰極4消耗而使后續(xù)的陰極備用材料4c移動到等離子體發(fā)生部之后，順次存儲到存儲室50中的陰極備用材料4c便補充作陰極4的后續(xù)材料。此存儲室50可以根據(jù)連續(xù)運轉時間自由地擴張。
本發(fā)明不局限于上述實施形式與變形例，在不脫離本發(fā)明的技術思想范圍內(nèi)的種種變形例與設計變更等顯然應包括在本發(fā)明的技術范圍之內(nèi)。
工業(yè)實用性本發(fā)明的等離子體生成裝置設有具備平坦的或微細凹凸形狀的陰極面和具有平坦表面的陽極面，且設置成在等離子體起動時上述陽極面至少與整個上述陰極面接觸。以與上述陽極面接觸的上述陰極面的凸部前端作為等離子體的發(fā)射點。在一個凸部前端消耗盡后，在下一次等離子體起動時能與上述陽極接觸的另一凸部前端便成為等離子體的新的發(fā)射點，可斷續(xù)地生成等離子體。因此，通過采用本發(fā)明的等離子體生成裝置，在半導體制造工藝等中，就可長時間地連續(xù)進行離子注入，蝕刻等的重復性的斷續(xù)的表面改性處理。此外，通過采用附設有陰極材料裝填裝置的等離子體生成裝置，就可不開啟真空室進行補充陰極材料的表面處理加工，從而可以防止雜質(zhì)與污染物混入被處理物的表面中。也就是說，通過采用本發(fā)明的等離子體發(fā)生裝置，能夠在高質(zhì)量或保持高純度的狀態(tài)下，穩(wěn)定地長時間地對被處理物進行等離子體處理。
權利要求
1.一種等離子體生成裝置，通過在真空氣氛下設定的等離子體發(fā)生部中進行真空電弧放電而產(chǎn)生等離子體，其特征在于在上述等離子體發(fā)生部中設有陰極以及真空電弧等離子體的起動與保持用的觸發(fā)器兼陽極，上述陰極的陰極面是平坦的或具有微細的凹凸形，與上述陰極面接觸的觸發(fā)器兼陽極的陽極面則具有平坦表面，它們設置成，在等離子體起動時，上述陽極面至少與上述陰極面的整個表面接合，而上述陰極面上微細的凸部前端與上述陽極面的接觸點作為等離子體的發(fā)射點。
2.根據(jù)權利要求1所述的等離子體發(fā)生裝置，其中等離子體發(fā)生裝置在上述觸發(fā)器兼陽極中附設有驅(qū)動機構，借助此驅(qū)動機構，上述觸發(fā)器兼陽極可在電弧等離子體起動位置與等離子體碰撞回避位置之間反復移動。
3.根據(jù)權利要求1所述的等離子體發(fā)生裝置，其中在上述觸發(fā)器兼陽極的底端部分上連接驅(qū)動機構，以此驅(qū)動機構為支點，上述觸發(fā)器兼陽極可在電弧等離子體起動位置與等離子體碰撞回避位置之間反復擺動。
4.根據(jù)權利要求1～3中任一項所述的等離子體發(fā)生裝置，其中上述觸發(fā)器兼陽極構成為具有狹窄寬度的陽極底端部分和廣寬度的陽極前端部分的錘形，而此陽極前端部分的前端面成為上述陽極面。
5.根據(jù)權利要求1～4中任一項所述的等離子體發(fā)生裝置，其中在上述觸發(fā)器兼陽極中設有永磁鐵或電磁鐵。
6.根據(jù)權利要求1～5中任一項所述的等離子體發(fā)生裝置，其中上述觸發(fā)器兼陽極的前端部分是由等離子體生成物質(zhì)構成。
7.根據(jù)權利要求1～6中任一項所述的等離子體發(fā)生裝置，其中設有將形成上述陰極的陰極材料順次供給等離子體發(fā)生部的陰極材料裝填裝置，在串聯(lián)設置的許多條形的陰極材料內(nèi)，處于最前端的陰極材料成為上述陰極，而在陰極消耗后使后續(xù)的陰極材料前進而作為新的陰極材料。
8.根據(jù)權利要求7所述的等離子體生成裝置，其中設有收容陰極材料的存儲室，以將陰極材料補充給上述陰極材料裝填裝置。
全文摘要
能將陰極電弧等離子體的起動、維持、停止等系列操作長時間反復斷續(xù)進行的等離子體發(fā)生裝置。本發(fā)明的成膜用等離子體發(fā)生裝置配備有供給電弧等離子體構成粒子的陰極(4)和電弧等離子體的起動與保持用的觸發(fā)器兼陽極(6)，陰極(4)的陰極面(4a)為平坦的或具有細微凹凸，與陰極面(4a)接觸的觸發(fā)極兼陽極(6)的陽極面(6c)則有平坦的表面，且配裝成在等離子體起動時，陽極面(6c)與整個陰極面(4a)接觸，此陰極面(4)的微細凸部前端(4b)與陽極面(6c)的接觸點上作為等離子體的發(fā)射點，在此凸部用等離子體發(fā)射的消耗時則以能與此陽極面(6c)接觸的另一凸部前端作為新的等離子體的發(fā)射點，在持續(xù)反復繼續(xù)進行上述系列操作時長期間地生成穩(wěn)定的等離子體。
文檔編號C23C14/32GK1934914SQ20058000834
公開日2007年3月21日 申請日期2005年2月17日 優(yōu)先權日2004年3月16日
發(fā)明者瀧川浩史, 椎名祐一 申請人:日本磁性技術株式會社, 瀧川浩史