CN100559546C - 中空式阴极放电装置 - Google Patents

Abstract

一种中空式阴极放电装置，其包括中空阳极电极、绝缘固定于该中空阳极电极中的中空阴极电极、及固定于该中空阴极电极中的气体分配管，该中空阳极电极及中空阴极电极分别具有相对应的阳极开孔与阴极开孔，而该气体分配管与该中空阴极电极之间围成一沿其轴向绕经各该阴极开孔的螺旋通道，以通过该螺旋通道形成多个连续且相连通的反应腔室，并设有连通以供导入反应气体至各该反应腔室的气体分流孔。通过彼此相连通的反应腔室使反应气体获得均匀分布有利于装置轴向长度增长的大尺寸化(Scale up)应用，克服现有技术的缺点。

Description

中空式阴极放电装置

技术领域

本发明涉及一种阴极放电装置，特别涉及一种应用于产生低温电浆线束的中空式阴极放电装置。

背景技术

中空式阴极放电(Hollow Cathode Discharge，HCD)原理为用于产生低温电浆的常用技术。如图1所示，传统中空式阴极放电装置1是由一个中空阳极电极11包覆一个中空阴极电极13构成，该中空阴极电极13与一个高频电源产生器(例如一个频率为13.56MHz的高频功率产生器)15连接，并以氧化铝陶瓷绝缘管17与中空阳极电极11绝缘隔开。产生电浆所需的反应气体(例如氩气、氦气、氮气等)自外部以绝缘导气管18贯穿中空阳极电极11导入中空阴极电极13内，由该高频电源产生器15施以高频电源，使游离的电子获得能量并与反应气体发生碰撞。由于中空阴极电极13的几何形状拘束，使得游离电子会在内部震荡加速并碰撞反应气体产生电离(Ionization)，因而激发高密度电浆(Plasma)，并自喷口(Jet Holes)19引出形成电浆束(Plasma Jet)，此电浆束配合不同制造方法需要，可以进行不同的应用例如表面改质、薄膜沉积等。

因实际应用的需要，前述可提供单一电浆束的点状电浆源可扩展为线状甚至面状的电浆源，才能利于例如大面积基板的镀膜制造方法，一般的做法为将中空式阴极放电装置水平放置，并结合多个独立的反应腔室，反应腔室设有电浆引出喷孔，且对应于一个中空阳极电极的圆形孔引出电浆，进而产生多个独立电浆束，以达到利于沉积薄膜的目的，如欧洲第EP08828165号专利即公开相关技术。

欧洲第EP08828165号专利公开一种用于产生多个低温电浆束的设备，如图2所示的设备2是由一个中空阳极电极21绝缘包覆一个相间隔且呈管状的中空阴极电极22构成，该中空阴极电极22用以连接一个高频电源产生器以施加高频电源，且以多个隔板23区隔为多个独立的环状反应腔室24，并同轴贯穿一个与该中空阳极电极21保持绝缘的气体传输管25，以由气体导入管252导入产生电浆所需的反应气体至各该环状反应腔室24。该气体传输管25于对应各该环状反应腔室24均设有一气孔251，而该中空阴极电极22及中空阳极电极21则分别设有对应的阴极开口221与阳极喷口211，故由各该环状反应腔室24的几何形状拘束，可使得游离电子在内部震荡而激发高密度电浆并自阳极喷口211引出形成多数独立的电浆束26，从而供用于沉积薄膜。

由于各个独立的环状反应腔室24相互间由隔板23区隔开，提供的多个连续间隔的点状电浆束26，在每一独立电浆束26电浆密度极高的情况下，意味着对应该处所进行薄膜沉积的速率较高，而相邻二电浆束26之间的薄膜沉积速率较低，其间的差异甚大。为了得到均匀沉积的薄膜，所以应用时必须尽量使基板27远离阳极喷口211，以通过较长距离d的延伸使得电浆密度均化形成近似于线状的输出，如此虽然可提升镀模厚度的均匀效果，但其电浆密度亦将降低许多，因而使镀膜的沉积速率下降。

如图2及图3所示，由于各该环状反应腔室24对应输入反应气体的气体传输管25的单一气孔251，因应下方有真空腔室的真空吸力吸引电浆流出时，当制作或组立发生气孔偏向单侧情形，会造成环状反应腔室24内的反应气体无法理想地对称均匀分布。

同时，由于该气体传输管25配置贯穿中空阴极电极22的中心处，当该气体传输管25的内径增大时，环状反应腔室24随之变小，使得气体不对称分布情形更驱明显，因此该气体传输管25的内径必然受到限制且较小，如欲增长装置整体的轴向长度时，由于细长比太大导致该气体传输管25的气导(Conductance)降低，使得反应气体无法均匀分布于细长的气体传输管25中，加上各该环状反应腔室24均独立配置的缘故，因此进入各该环状反应腔室24间不均匀的反应气体，直接影响了所对应环状反应腔室24间的电浆密度差异，亦即当其整体的轴向长度愈长时，装置轴向的电浆密度将会随之变成非常不均匀，因此难以满足大面积薄膜的沉积需求。

有鉴于前述现有技术的缺点，如何提供一种装置轴向大尺寸化应用的中空式阴极放电装置，使反应气体均匀分布，以产生高密度与均匀度的电浆线束，进而克服现有技术所存在的问题，乃成为目前业界亟待克服的技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的一目的在于提供一种使反应气体均匀分布的中空式阴极放电装置。

本发明的另一目的在于提供一种具有高气导特性以利于装置轴向大尺寸化应用的中空式阴极放电装置。

本发明的再一目的在于提供一种可产生电浆线束的中空式阴极放电装置。

本发明的又一目的在于提供一种可产生高均匀度与高密度电浆的中空式阴极放电装置。

为实现上述目的，本发明提供一种中空式阴极放电装置，其包括：中空阳极电极，具有第一腔室、及连通该第一腔室的多个阳极开孔；中空阴极电极，其与该中空阳极电极保持绝缘地固定于该第一腔室中，且具有第二腔室、及连通该第二腔室并对应于各该阳极开孔的多个阴极开孔；以及气体分配管，固定于该第二腔室中并连通至中空阳极电极外部以供导入反应气体，且与该中空阴极电极之间围成一沿其轴向绕经各该阴极开孔的螺旋通道，以通过该螺旋通道形成多个连续且相连通的反应腔室，并设有供导入反应气体至各该反应腔室的气体分流孔。

前述的中空式阴极放电装置中，该气体分配管可为一偏心管，且其偏心方向可远离各该阴极开孔；该气体分配管可设有对应该反应腔室且沿轴向排列的气体分流孔，其中所述气体分流孔为偶数个，较佳地，所述气体分流孔可朝不同方向对称配置，造成气体于反应腔室内对流效果；另外，该气体分配管两端可分别接通一绝缘导气管贯穿至该中空阳极电极外部，以供自两端同时导入反应气体。于一较佳实施例中，该气体分配管可具有一外螺旋部，以通过该外螺旋部而与该中空阴极电极之间围成该螺旋通道；于另一较佳实施例中，该中空阴极电极则可具有一内螺旋部，以通过该内螺旋部而与该气体分配管之间围限成该螺旋通道。

多个阳极开孔及阴极开孔可对应各该反应腔室而沿轴向间隔排列，于一较佳实施例中，各该反应腔室可对应左、右两个由轴心朝不同方向辐射的阴极开孔及阳极开孔，且多个阴极开孔及阳极开孔对应各该反应腔室而沿轴向左、右交错间隔排列。较佳地，该阴极开孔及阳极开孔均可呈长条形断面。

该中空阳极电极还可设有贯穿至该第一腔室的绝缘管，以穿过该绝缘管内径对外接通高频电源阴极至该中空阴极电极；该中空阳极电极可设有分别位于该第一腔室两端的二个绝缘定位柱，以通过二该绝缘定位柱固定该中空阴极电极位置并保持绝缘；该中空阴极电极可由一中空阴极管两端各封闭一端盖所构成，而该绝缘定位柱可固定于该端盖上。

相比于现有技术，本发明运用气体分配管与该中空阴极电极之间围成一沿其轴向绕经各该阴极开孔的螺旋通道设计，使该螺旋通道形成多个连续且相连通的反应腔室，利用轴向排列的各该气体分流孔导入反应气体至各该反应腔室，因为各该反应腔室相连通而具有气体在轴向的均化效果；再者，气体分流孔的配置在反应腔室产生对流效果，结合该气体分配管的偏心设计，形成偏心的反应腔室，增加反应气体在反应腔室中的停留时间(Residence Time)与均匀性，因此可获得高均匀度与高密度的电浆。同时，通过偏心反应腔室的设计，使得该气体分配管的内径可增大而具有高气导特性，不仅使反应气体的传输容易且扩散均匀性高，更因此而利于装置轴向增长的大尺寸化(Scale up)应用。另外，结合阳极开孔与阴极开孔的形状及配置关系设计，可产生高均匀度与高密度的电浆线束。由此可知，本发明已克服现有技术的缺陷，实具高度的产业利用价值与进步性。

附图说明

图1显示传统中空式阴极放电装置的架构示意图；

图2显示欧洲第EP08828165号专利用于产生多个低温电浆束的装置侧剖示意图；

图3显示欧洲第EP08828165号专利用于产生多个低温电浆束的装置截面示意图；

图4显示本发明中空式阴极放电装置的侧剖面示意图；

图5显示本发明中空式阴极放电装置的沿图4的A-A剖线断面示意图；

图6显示本发明中空式阴极放电装置的底视图；以及

图7显示本发明中空式阴极放电装置的气体分配管示意图。

附图标记说明

1         传统中空式阴极放电装置

11        中空阳极电极

13        中空阴极电极

15        高频电源产生器

17        绝缘管

18        绝缘导气管

19        喷口

2         设备

21        中空阳极电极

211       阳极喷口

22        中空阴极电极

221       阴极开口

23        隔板

24        环状反应腔室

25        气体传输管

251       气孔

252       气体导入管

26        电浆束

27        基板

3         中空阳极电极

30        第一腔室

31        阳极开孔

33        绝缘管

35        绝缘定位柱

4      中空阴极电极

40     第二腔室

41     中空阴极管

411    阴极开孔

43     端盖

45     绝缘导气管

5      气体分配管

51     外螺旋部

53     气体分流孔

55     螺旋通道

551    反应腔室

具体实施方式

以下配合附图说明本发明的具体实施例，以使所属技术中具有通常知识者可轻易地了解本发明的技术特征与达成功效。

如图4所示，本发明提供一种中空式阴极放电装置，其包括：中空阳极电极3，具有第一腔室30、及连通该第一腔室30的多个阳极开孔31；中空阴极电极4，其与该中空阳极电极3保持绝缘地固定于该第一腔室30中，且具有第二腔室40、及连通该第二腔室40并对应于各该阳极开孔31的多个阴极开孔411；以及气体分配管5，固定于该第二腔室40中并以绝缘导气管45连通至中空阳极电极3外部以供自两侧导入反应气体，且与该中空阴极电极4之间围成一沿其轴向绕经各该阴极开孔411的螺旋通道55，以通过该螺旋通道55形成多个连续且相连通的反应腔室551，并设有供导入反应气体至各该反应腔室551的气体分流孔53，通过彼此相连通的反应腔室551使反应气体在轴向获得均匀分布并利于装置轴向增长的大尺寸化应用，较现有技术有进步。

于本实施例中，使用中空阳极电极3、绝缘固定于该中空阳极电极3中的中空阴极电极4、以及接通高频电源阴极至该中空阴极电极4，以使所导入的反应气体与游离电子发生碰撞而激发电浆，其为产生低温电浆的技术原理，亦即有关于该中空阳极电极3设有贯穿至该第一腔室30的绝缘管33，以穿过该绝缘管33对外接通高频电源阴极至该中空阴极电极3，以及该中空阳极电极3设有分别位于该第一腔室30两端的二个绝缘定位柱35，以通过二该绝缘定位柱35固定该中空阴极电极4并保持绝缘等细部构造设计，均为本发明所属技术领域中具有通常知识的技术人员所能理解并据以实施，在此不再赘述，将进一步详细说明有关中空阳极电极3、中空阴极电极4、以及气体分配管5的其它技术方案如下。

请结合参阅图4、图5、及图6所示，该中空阳极电极3具有例如呈圆形断面的第一腔室30，且于底部设有沿其轴向间隔排列且连通该第一腔室30的多个阳极开孔31。于本实施例中，多个阳极开孔31排成对称轴向中心线的两列，即对应每一反应腔室551具有左、右两个由轴心朝不同方向辐射的阳极开孔31，且多个阳极开孔31对应各该反应腔室551而沿轴向左、右交错间隔排列，同时，该阳极开孔31呈长条形断面。

通过长条形断面的阳极开孔31设计，可使引出对应反应腔室551内的高密度电浆形成线状的电浆线束，而非现有技术的点状电浆束，故可在保持高沉积速率下，提供沉积厚度均匀的薄膜。

该中空阴极电极4具有例如呈圆形断面的第二腔室40，且于底部设有沿其轴向间隔排列且连通该第二腔室40的多个阴极开孔411。于本实施例中，该中空阴极电极4是由一中空阴极管41两端各封闭一端盖43构成，而该绝缘定位柱35固定至该端盖43上，且两端盖43上并分别固定有接通至气体分配管5两端且贯穿至该中空阳极电极3外部的绝缘导气管45，以供自两端同时导入反应气体。

于本实施例中，多个阴极开孔411同样排成两列，即对应每一反应腔室551具有左、右两个由轴心朝不同方向辐射的阴极开孔411，且多个阴极开孔411对应各该反应腔室551而沿轴向左、右交错间隔排列，同时，各该阴极开孔411对应于各该阳极开孔31，且亦呈长条形断面。

该气体分配管5为密闭的固定于该中空阴极电极4的第二腔室40中，其两端分别接通一贯穿至该中空阳极电极3外部的绝缘导气管45，以供自两端同时导入反应气体。于本实施例中，该气体分配管5具有一沿其轴向绕经各该阴极开孔411的外螺旋部51，以通过该外螺旋部51而与该中空阴极电极4之间围成一螺旋通道55，并通过该螺旋通道55形成多个连续且相连通的反应腔室551分别对应于各该阴极开孔411，另该气体分配管5并设有连通以供导入反应气体至各该反应腔室551的气体分流孔53。

通过该气体分配管5的两端同时导入反应气体，利用轴向排列的各该气体分流孔53将反应气体送至各该反应腔室551，利用彼此相连通的反应腔室551使反应气体充分均匀分布至各该反应腔室551。请配合参阅图5及图7所示，于本实施例中，该气体分配管5为一偏心管，且其偏心方向邻近各该气体分流孔53而远离各该阴极开孔411，同时，该气体分配管5设有对应每一反应腔室551且沿轴向排列的气体分流孔53，其中所述气体分流孔53为偶数个，并且所述气体分流孔53朝不同方向对称配置。

当反应气体经由气体分流孔53导入各该反应腔室551后，通过不同方向的气体流动所产生的对流扩散作用，可以增加反应腔室551内反应气体的均匀度及停留时间，此意味着反应气体完全解离成为电浆的比例增加，亦即是可以较现有技术获得更高的电浆密度。同时，由于偏心反应腔室的设计，使该气体分配管5的孔径可加大而具有高气导特性，从而使反应气体的传输容易且扩散均匀性高，故适合应用装置的轴向长度增长时的大尺寸化应用，克服现有技术的缺点。

虽然于本实施例中是以偏心管为例说明该气体分配管5，但是该气体分配管5使因该气体分配管5设有外螺纹部51与该中空阴极电极4之间形成螺旋通道的设计，使得各该反应腔室511相互连通，当引出电浆时已可获得高密度与高均匀度的电浆线束，并可加大该气体分配管5的孔径而利于大尺寸的应用。因此，即使于其它实施例中以同心管为例，亦无碍于实现前述上述技术效果，亦即该气体分配管5绝非仅以本实施例所示的偏心管为限，此等偏心管或同心管的变化应为本发明所属技术领域中具有通常知识的技术人员所能理解并据以实施，故不再结合实施例图示另行赘述。

同样地，因应前述该螺旋通道55的设计与对应技术效果，即使各该阴极开孔411与阳极开孔31的形状与排列形式非根据本实施例所示，而是采用一般圆孔或单纯的轴向间隔排列关系，亦无碍于实现前述技术效果，亦即各该阴极开孔411与阳极开孔31的形状与排列形式绝非仅以本实施例所示为限，此简化的变化应为本发明所属技术领域中具有通常知识的技术人员所能理解并据以实施，亦不再结合实施例图示另行赘述。

另外，结合本实施例所采用的气体分流孔53为偶数个，且所述气体分流孔53朝不同方向对称配置的设计，为提升强制对流的作用，即使仅开设一个气体分流孔53亦可发挥足够的强制对流与增加反应腔室551内反应气体的均匀度的作用，因此该气体分流孔53的数量与配置方向也不仅以本实施例所示为限。

再者，虽然本实施例中是以该气体分配管5外部设有外螺纹部51以构成该螺旋通道55为例，但是在其它较佳实施例中，亦可改为该中空阴极电极4具有一内螺旋部，以通过该内螺旋部而与该气体分配管5之间围成该螺旋通道。此等相对性的变化应为本发明所属技术领域中具有通常知识的技术人员所能理解并据以实施者，亦不再结合实施例图式另行赘述。

综上所述，本发明运用气体分配管与该中空阴极电极之间围成一沿其轴向绕经各该阴极开孔的螺旋通道设计，使该螺旋通道形成多个连续且相连通的反应腔室，因为各该反应腔室相连通，而具有轴向的气体均化效果，结合该气体分配螺旋管采用偏心管的设计，形成偏心反应腔室，同时利用成对气体分流孔自不同方向导入反应气体至各该反应腔室产生对流效果以及增加反应气体在反应腔室的停留时间与均匀性，因此可获得较高均匀度与高密度的电浆。再则，该气体分配管因偏心反应腔室的结构，可增大其内径而使具有高气导特性，不仅使反应气体的传输容易且扩散均匀性高，更因此有利于装置在轴向增长时的大尺寸化(Scale up)应用。另外，结合阳极开孔与阴极开孔的形状及配置关系设计，可产生高均匀度与高密度的条状电浆线束，能够克服现有技术中点状电浆束的缺点。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何所属技术领域中具有通常知识的技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修改与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如前述的权利要求书所列。

Claims (14)

1一种中空式阴极放电装置，其特征在于，包括：

中空阳极电极，具有第一腔室、及连通该第一腔室的多个阳极开孔；

中空阴极电极，其与该中空阳极电极保持绝缘地固定于该第一腔室中，且具有第二腔室、及连通该第二腔室并对应于各该阳极开孔的多个阴极开孔；以及

气体分配管，固定于该第二腔室中并连通至中空阳极电极外部以供导入反应气体，且与该中空阴极电极之间围成一沿其轴向绕经各该阴极开孔的螺旋通道，以通过该螺旋通道形成多个连续且相连通的反应腔室，并设有连通以供导入反应气体至各该反应腔室的气体分流孔。

2.根据权利要求1所述的中空式阴极放电装置，其特征在于，该气体分配管具有一外螺旋部，以通过该外螺旋部而与该中空阴极电极之间围成该螺旋通道。

3.根据权利要求1所述的中空式阴极放电装置，其特征在于，该中空阴极电极具有一内螺旋部，以通过该内螺旋部而与该气体分配管之间围成该螺旋通道。

4.根据权利要求1、2或3所述的中空式阴极放电装置，其特征在于，该气体分配管为一偏心管。

5.根据权利要求1所述的中空式阴极放电装置，其特征在于，该气体分配管为一偏心管，且偏心方向邻近各该气体分流孔而远离各该阴极开孔。

6.根据权利要求1所述的中空式阴极放电装置，其特征在于，该气体分配管设有对应该反应腔室且沿轴向排列的气体分流孔，其中所述气体分流孔为偶数个。

7.根据权利要求6所述的中空式阴极放电装置，其特征在于，所述气体分流孔朝不同方向对称配置。

8.根据权利要求1所述的中空式阴极放电装置，其特征在于，该气体分配管两端分别接通一绝缘导气管贯穿至该中空阳极电极外部，以供自两端同时导入反应气体。

9.根据权利要求1所述的中空式阴极放电装置，其特征在于，多个阳极开孔及阴极开孔对应各该反应腔室而沿轴向间隔排列。

10.根据权利要求1所述的中空式阴极放电装置，其特征在于，各该反应腔室对应左、右两个由轴心朝不同方向辐射的阴极开孔及阳极开孔，且多个阴极开孔及阳极开孔对应各该反应腔室而沿轴向左、右交错间隔排列。

11.根据权利要求1、9或10所述的中空式阴极放电装置，其特征在于，该阴极开孔及阳极开孔均呈长条形断面。

12.根据权利要求1所述的中空式阴极放电装置，其特征在于，该中空阳极电极还设有贯穿至该第一腔室的绝缘管，以通过该绝缘管对外接通高频电源阴极至该中空阴极电极。

13.根据权利要求1所述的中空式阴极放电装置，其特征在于，该中空阳极电极设有分别位于该第一腔室两端的二个绝缘定位柱，以通过二该绝缘定位柱固定该中空阴极电极位置并保持绝缘。

14.根据权利要求1所述的中空式阴极放电装置，其特征在于，该中空阴极电极是由一中空阴极管两端各封闭一端盖构成。

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