用於產生等離子體並用於朝著目標引導電子流的裝置的製作方法

2023-06-21 17:27:31 1

專利名稱：用於產生等離子體並用於朝著目標引導電子流的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於產生等離子體的裝置、包括這樣裝置的設備以及用於將材料層施加到支撐件(support)上的方法。目前使用電子脈衝流來將特定材料薄層施加到基板上。這種技術如今在電場中得到了一個特別有利的應用，用於微晶片的生產
背景技術：
已知用於產生用來生產薄層的電子脈衝流的不同實驗系統。然而，據我們所知，僅發現兩個系統具有工業應用。這些系統基於一種被稱為渠道火花燒蝕法(Channel Spark Ablation)的工序。在這些系統中，通過從等離子體中提取電子而出現流的產生，所述等離子體通過施加一個不高的(not elevated)位差(低於30kV)而在稀薄氣體中產生。使用渠道火花燒蝕工序的已知裝置的實例在圖8和圖9中示出，並在公開號為 W02006/105955A2的專利申請中公開。特別地，已知的裝置A包括金屬陰極B，所述金屬陰極具有中空圓柱形的形狀，並電連接至饋電器C;密封的安瓿(amp0Ule)D，由介電材料(玻璃和/或陶瓷)製成，並連接至陰極B;以及輔助電極E，設置在安瓿D內(圖8)或外(圖 9)。裝置A進一步包括毛細管F，所述毛細管由介電材料製成，並在關於安瓿D的相反側上從陰極B伸出；以及陽極G，所述陽極是環狀的，並圍繞毛細管F設置在陰極B外。在使用中，陰極B保持在相對高的負電位(即，具有負電荷)；當在輔助電極E上產生電脈衝(例如通過將所述電極接地)時，形成輝光放電，這又在陰極B內產生正電荷。 通過發射電子來補償正電荷，於是朝著毛細管F內的陽極G加速所述電子。電子在其向外運動期間進一步使分子電離，因此進一步產生電子(被稱為二次電子)。從毛細管G朝著目標H發送在陰極B內產生的電子和二次電子。上述類型的已知裝置具有若干缺點，其中，例如-因為安瓿F和陰極B兩者的存在，所以裝置是相對細長的，且因此龐大；-裝置可能相對容易受損；安瓿D由比由金屬材料製成的其它部件易碎得多的介電材料製成；_裝置難以生產；因為安瓿D的易碎性，所以將輔助電極E不漏流體地插入到安瓿 D中是非常困難的；-裝置發射低密度的電子流(該密度在輔助電極E設置在安瓿D外時特別低)；這導致薄層的生產時間相應增加；-裝置幾乎不可控考慮到陰極B長期保持充電，可能在陰極B與陽極G之間出現自發的放電。NAKAGAMA ^AWi$ ( "Production of pulse high density electron beam by channel spark di scharge」， TRANSACTIONS OF THE INS TITUTE OF ELECTRICAL ENGINEERS OF JAPAN, PART A INST. ELECTR. ENG JAPAN, vol.120-A，no.4,2000 年 4 月 (2000-04) ,391-397 頁，XP002553605ISSN 0385-4205)公開了一種與上面描述的裝置類似的裝置，所述裝置同樣具有所有提到的缺陷。特別地，所引文章的裝置包括黃銅管狀陰極， 安裝在玻璃安瓿上；以及輔助電極，設置在安瓿內完全處於陰極外。該裝置使用所謂的「中空陰極放電」(第11頁，第2欄，第6行)；即，在安瓿內產生輝光放電，所述輝光放電具有低密度的電子。由公開號為US2005/012441的專利申請公開的裝置的結構、功能以及缺點與上面指出的那些類似
發明內容

本發明的目標是提供一種用於產生等離子體的裝置、一種用於將材料層施加到支撐件上的設備及方法，其允許至少部分地克服已知的現有技術的缺點，且同時生產起來是容易且便宜的。根據本發明，提供了根據在所附獨立權利要求中以及優選地在直接地或間接地引用獨立權利要求的任一項權利要求中所陳述的用於產生等離子體的裝置、用於將材料層施加到支撐件上的設備及方法。


在下文中參照示出了一些非限制性實施例的附圖描述本發明，附圖中-圖1示意性地示出了根據本發明的設備及裝置；-圖2是根據本發明的裝置的一部分的透視側視圖；-圖3是圖2中的裝置的分解部件的透視圖；-圖4是圖2中的裝置的分解部件的透視側視圖；-圖5是圖2中的裝置的一部件(主電極)的透視圖；-圖6和圖7是圖2中的裝置的一部件(陰極)的相反側的透視圖；以及-圖8和圖9示出了屬於現有技術的裝置。
具體實施例方式圖1中的標號1從整體上指出用於敷設(lay down)特定材料的設備。設備1包括用於產生等離子體(即，使稀薄氣體至少部分地電離)並用於朝著目標3引導電子流的裝置2，所述目標具有特定材料(特別地，由特定材料製成)，從而使得特定材料的至少一部分與目標3分離並敷設在支撐件4上。根據可替代的實施例，特定材料可由單一均質材料形成，或由兩種或更多種不同材料的組合形成。有利地，將目標3接地。這樣，目標3不排斥(且實際上吸引)電子流，即使電子已經擊中目標3。裝置2包括中空元件5，所述中空元件作為陰極，並具有(在外部限定)內腔6; 以及主電極7，所述主電極包含金屬(特別地，是基本導電的)材料(特別地，由金屬材料製成)，並布置在腔6 (通過中空元件5限定的)內。特別地，中空元件5包含金屬材料(更特別地，是基本導電的)(更特別地，由金屬材料製成)。根據一些實施例，中空元件包含在以下各項構成的組中選擇的材料(特別地，由該材料製成)不鏽鋼、鎢、鉬、鉻、鐵、鈦。根據一些實施例，主電極7包含在以下各項構成的組中選擇的材料(特別地，由該材料製成) 不鏽鋼、鎢、鉬、鉻、鐵、鈦。 根據圖1所示的實施例，主電極7通過中空元件5的壁8延伸。在主電極7與壁 8之間插入有基本介電材料(特別地是陶瓷)的環狀件9。此外，裝置2包括電阻器10，所述電阻器將主電極7接地，並具有至少為lOOOhm、 有利地至少為IkOhm的電阻。特別地，電阻器10具有約20k0hm的電阻。根據其他實施例，使用具有等效功能的另一電子器件而非電阻器10。腔6內存在有稀薄氣體。根據一些實施例，所述腔裝有處於低於或等於IO-2Hibar 的壓力下的稀薄氣體。有利地，裝在腔6內的稀薄氣體示出了包含在10_2mbar到10_5mbar 之間、具體地為約10_3mbar的壓力。在這點上，應注意，設備2包括氣體供給組件(本身已知且未示出)，以將無水氣體(非限制性實例-氧氣、氮氣、氬氣、氦氣、氙氣等)供給到腔6內；以及抽吸組件(本身已知且未示出)，包括泵，並能夠使腔6中的氣體變稀薄(即，降低腔6內的氣壓)。供給組件和抽吸組件藉助於管線(duct) 23連接至中空元件5。中空元件5電連接至激活組(activation group) 11，所述激活組能夠在少於20ns 內使中空元件5的電位降低至少SkV (特別地，從基本等於零的電位開始)，向中空元件發送帶有至少為0. 16mC的電荷的電脈衝。根據一些實施例，前述電脈衝低於或等於0. 5mC。因此，在使用中，激活組11根據前述參數在中空元件5與主電極7之間強加一位差。因此，在腔6內產生(即，使稀薄氣體至少部分地電離)一些等離子體。有利地，激活組11能夠在少於15ns內、特別地在約IOns內在中空元件5上強加從8kV到25kV的電位降。特別參照圖1所示的，將中空元件5接地。這樣，當未執行電子流的發射時，中空元件保持在基本為零的電位，並且基本避免了中空元件5與主電極7之間的自發放電的危險。特別地，電阻器12連接在中空元件5與大地之間。根據一些實施例，電阻器12具有至少為50k0hm的電阻。有利地，電阻器12具有至少為lOOKOhm、特別地約為0. 5M0hm的電阻。根據一些實施例，該電阻低於IMOhm。根據其他實施例，使用具有等效功能的另一電子器件而非電阻器12。根據圖1所示的實施例，激活組11包括閘流管13;電容器14，所述電容器具有連接至閘流管13的陽極15的一框架以及連接至中空元件5的另一框架；以及饋電器16，所述饋電器具有電連接至陽極15的正電極17以及接地的負電極18。此外，閘流管13具有接地的陰極19。激活組11還包括閘流管13的控制單元20，所述控制單元20可操作閘流管13並接地。根據未示出的實施例，激活組11包括電脈衝的磁壓縮器或Blumlein高電位電脈衝發生器。有利地，磁壓縮器(或脈衝發生器)替代間流管13和相關的控制單元20。裝置2進一步包括操作員界面組(已知且因此未示出)，所述操作員界面組允許操作員調整對裝置2的操作(例如，對工作參數的操作和/或修改)。特別地，操作員界面組包括個人計算機、顯示器、鍵盤和/或定點裝置(例如滑鼠)。操作員界面組連接至控制單元 20。根據其他實施例，使用具有等效功能的另一電子器件而非電容器14。此外，裝置2包括管狀元件21，所述管狀元件由基本介電的材料(特別地是玻璃) 製成，並穿過中空元件5的與壁8相對的壁22延伸，且部分地位於腔6內，部分地位於外室 24內。管狀元件21具有將腔6連接至外室24的內管腔，在所述外室中，設置有目標3和支撐元件4。管狀元件21和相關的內管腔具有相應的基本為圓形的橫截面。根據特定實施例，管狀元件21具有從90mm到220mm的長度。管狀元件具有從約 5mm到約7mm的直徑。管狀元件21的內管腔具有從約2mm到約4mm的直徑。裝置2的其它部件與根據圖4所示的基本成比例(關於管狀元件21的尺寸)。外室24以這樣的方式來建造，即，使得其關於外部環境是不漏流體的。裝置2進一步包括外部元件25，所述外部元件沿管狀元件21 ( S卩，與管狀元件21 的一端不相關)設置在外室24中，並作為陽極。特別地，外部元件25與管狀元件21的外表面相接觸。在使用中，當在腔6內形成的電子進入管狀元件21時，通過外部元件25建立的位差允許朝著目標3沿管狀元件21加速電子。在其運動期間，這些電子進一步撞擊氣體分子， 且因此確定二次電子的發射，這又朝著目標3加速二次電子。裝置2進一步包括電位保持組26，所述電位保持組電連接至外部元件25，從而保持外部元件25的電位基本等於或高於零。特別地，電位保持組26使外部元件25的電位基本接地。外部元件25成形為使得其圍繞管狀元件21而設置；特別地，外部元件25具有一孔，管狀元件21穿過該孔延伸。根據特定實施例，外部元件25是環狀的。特別地參照圖2、圖3和圖4，中空元件5具有截面基本為圓形的基本為圓柱形的形狀，並通過安裝兩個有孔板28和29而獲得，一旦安裝，所述兩個有孔板分別限定壁8和 9。參照圖2、圖3和圖4，裝置2進一步包括管道30，所述管道由介電材料(特別地是玻璃和氧化鋁)製成，並圍繞管狀元件21的截面而設置，以機械地連接中空元件5和外部元件25。在管道30與外部元件25之間插入有由聚合物材料製成的環狀件31。參照圖3、圖4和圖5，主電極7具有由金屬材料製成並藉助於電連接器HV 33接地的網狀端部32。圖6和圖7分別示出了腔6的內部和中空元件5與管狀元件21之間的連接。指出以下內容是重要的，S卩，裝置2的不同部件通過插入合適的襯墊而彼此緊密地連接。在使用中，當激活組11在中空元件5上引發電脈衝時，外部元件25的電位在約 10nS-20nS內下降至地電位。在這樣的短時間間隔中，中空元件5處於「漂浮」狀態中。這導致中空元件5的電位非常迅速地降低。因此，在腔6的內表面與主電極7之間，電弧發光。電弧的等離子體在管狀元件21 內擴展開來，並使渠道化火花放電，這又產生高能電子流。注意到以下內容是重要的，S卩，可用實驗方法觀察到根據本發明的裝置2可產生特別密集的等離子體，且因此產生非常強烈的電子流(特別地，比可藉助於已知裝置獲得的那些電子流更強烈-這決定了薄層的生產時間相應增加)。特別地，已用實驗方法觀察至|J，根據本發明的裝置2能夠產生密度近似為IO17電子/cm3的等離子體，然而，另一方面， 已知裝置(諸如在W02006/105955A2、US2005/012441A1中公開的以及在所引的NAKAGAWAY 等人的文章中公開的那些裝置)產生密度為約IO9電子/cm3的等離子體。因此，根據本發明的 裝置具有驚人地高於已知裝置的效力和效率。特別地，已用實驗方法觀察到，在工序開始時，產生持續時間為約50ns的高能電子脈衝(受加速電壓或電容器的充電電壓控制)。朝著目標3藉助於管狀元件21引導並發送因此產生的電子。此時，中空元件5與目標3之間的電流消失，然後由於在中空元件5與目標3之間形成的短路藉助於同時在管狀元件21中出現的等離子體柱而再次增加。注意裝置1(本發明的目的)不需要存在連接至中空元件5的安瓿。因此，裝置1 絕不會是龐大的，易於生產且是機械耐久的。除明確指出是相反的，否則將在本文中所引的參考文獻(文章、書籍、專利申請等)的內容完全結合於此。
權利要求
1.一種用於產生等離子體並用於朝著目標(3)引導電子流的裝置；所述裝置(1)包括中空元件(5)，所述中空元件具有腔(6)並設計成作為陰極；主電極(7)；基本介電的管狀元件(21)，所述管狀元件穿過所述中空元件(5)的壁(22)從所述腔(6)延伸至外室 (24)；以及外部元件(25)，所述外部元件設計成作為陽極，關於所述中空元件(5)設置在外部，並位於所述管狀元件(21)外部且沿著所述管狀元件；所述裝置(1)的特徵在於，所述裝置包括激活組(11)，所述激活組電連接至所述中空元件(5)，並能在少於20ns內使所述中空元件(5)的電位降低至少8kV;所述主電極(7)至少部分地設置在所述中空元件(5)的所述腔(6)內。
2.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述中空元件(5)包含基本導電的金屬材料。
3.根據權利要求1或2所述的裝置，並包括將所述主電極(7)電接地的第一電阻裝置 (10)。
4.根據權利要求3所述的裝置，其中，所述第一電阻裝置(10)具有高於IOOOhm的電阻。
5.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中，所述腔(6)裝有處於低於或等於 l(T2mbar的壓力下的稀薄氣體。
6.根據權利要求3所述的裝置，其中，裝在所述腔(6)內的稀薄氣體具有從10_2mbar到 KT5Hibar的壓力。
7.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，並包括電位保持組(26)，所述電位保持組電連接至所述外部元件(25)並能夠保持所述外部元件(25)的電位基本等於或高於零。
8.根據權利要求7所述的裝置，其中，所述電位保持組(26)將所述外部元件(25)的電位接地。
9.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中，所述外部元件(25)形成為使得所述外部元件(25)圍繞所述管狀元件(21)而設置。
10.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中，為了在少於20ns內使所述中空元件(5)的電位降低至少8kV，所述激活組(11)能發射包含有介於0. 16mC到0. 5mC之間的全局式電荷的電脈衝。
11.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，其中，所述激活組(11)包括閘流管(13)。
12.根據權利要求11所述的裝置，其中，所述激活組(11)包括電容裝置(14)，所述電容裝置的一側電連接至所述閘流管(13)的陽極(15)而另一側電連接至所述中空元件 (5)；以及饋電器(16)，所述饋電器具有電連接至所述閘流管(13)的所述陽極(15)的正電極(17)。
13.根據前述權利要求中任一項所述的裝置，並進一步包括第二電阻裝置(12)，所述第二電阻裝置具有至少為50k0hm的電阻並電連接在所述中空元件(5)與大地之間。
14.根據權利要求1到11中任一項所述的裝置，其中，所述激活組(11)包括磁脈衝壓縮器或Blumlein電脈衝發生器。
15.一種用於將特定材料施加到基板(4)上的設備，所述設備包括外室(24)、由特定材料製成並設置在所述外室(24)中的目標(3)；所述設備(1)的特徵在於，所述設備(1)包括如前述權利要求中的一項所限定的裝置(2)，所述裝置的所述腔(6)與所述外室(24)連通並裝有處於低於IO-2Hibar的壓力下的氣體；所述裝置(2)能夠對著所述目標(3)引導電子流，從而使 得所述特定材料的至少一部分離開所述目標(3)並停落在所述支撐件(4)上。
16. 一種用於將特定材料施加到支撐件(4)上的方法，所述方法包括發射步驟，在所述發射步驟期間，根據權利要求1到13中的一項所述的裝置(1)對著具有所述特定材料的目標(3)引導電子流，以使所述特定材料的至少一部分離開所述目標(3)並朝著所述支撐件 (4)引導所述特定材料的該至少一部分。
全文摘要
一種用於產生等離子體並用於朝著特定目標(3)引導電子流的裝置(1)；裝置(1)包括中空陰極(5)；主電極(7)，至少部分地設置在陰極(5)內；電阻器(12)，將主電極(7)電接地；基本介電的管狀元件(21)，穿過陰極的壁(22)延伸；環狀陽極(25)，圍繞管狀元件(21)設置並接地；以及激活組(11)，所述激活組電連接至陰極(5)，並能夠在約10ns內使陰極(5)的電位降低至少8kV。
文檔編號H01J3/02GK102449721SQ201080022641
公開日2012年5月9日 申請日期2010年3月23日 優先權日2009年3月23日
發明者卡洛·塔利亞尼, 彼得·諾扎爾, 裡卡爾多·洛蒂 申請人:有機自旋電子學有限公司