[实用新型]一种三阴极多级直流弧放电等离子体发生装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种三阴极多级直流弧放电等离子体发生装置，属于直流弧放电等离子体技术领域。

背景技术

PECVD(等离子体增强化学气相沉积)技术已经广泛用于制备氢化非晶硅和减反射膜SiNx等薄膜。在该技术装置中，关键技术是等离子体发生器。目前广泛使用的是射频等离子体源。这种射频等离子体源的基本原理是通过高频辉光放电的方法使气体电离从而产生等离子体。其电流源的频率通常是几百KHZ到几MHZ，最常用的频率是13.56MHZ。射频感应等离子体源是通过绕在石英玻璃管或者坐落在石英窗顶部的电流线圈来加热产生等离子体。射频容性耦合等离子体源是通过比配器把射频电压加到两块平行平板电极进行放电来产生等离子体。但是这些单源射频等离子体源不能对等离子体密度(决定薄膜沉积速率)和轰击到基片上离子角度分布和能量(影响薄膜质量)进行独立的控制。在现有技术中，为了提高等离子体密度，必须增加射频电源的电压，然而这样做会造成鞘层电势和轰击到基片上离子的能量也将随之增加，而高能量的离子的轰击将导致沉积薄膜的溅射和薄膜的损伤。因此，现有的等离子体发生器的使用效果还是不够理想。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足而提供一种既能保证产生高密度等离子体，又能保证电源能量转换率高、操作和维护方便、使用寿命长的三阴极多级直流弧放电等离子体发生装置。

为达到上述目的，本实用新型采用的解决方案是：该等离子体发生装置包括放电腔室、阴极和阳极，阳极接地，阴极与直流电源连接，阴极采用钨阴极，共三根，插装在放电腔室的顶部，其尖端部分位于放电腔室中，每两根钨阴极之间的夹角为120°，在放电腔室的顶部中央设有惰性气体源接口，在放电腔室的底部设有绝缘层，在绝缘层(7)下设有水冷铜板，绝缘层-水冷铜板交错叠加5-8次，各绝缘层和水冷铜板的中心孔连通构成放电通道，设有拉瓦尔喷嘴的阳极安装在最下面绝缘层的下方。

所述钨阴极通过阴极冷却杆插装在放电腔室的顶部，钨阴极安装在阴极冷却杆下部，阴极冷却杆上设有进水口和出水口，其上部设有与直流电源连接的接头。

在上述放电腔室的外壁上缠绕有多圈冷却铜管，冷却铜管设有进水口和出水口。

在第一个水冷铜板的内部设有反应气体源进口。

本实用新型是利用直流弧放电使气体电离而产生等离子体，其基本原理是：工作气体进入等离子体源放电室，阴极通过场致效应发射电子，在阴极附近形成电子云，在外加电场加速下电子与气体原子或者分子发生碰撞引起电离，形成等离子体电弧放电。与市场广泛使用的射频辉光放电等离子体相比，具有等离子体密度和离子能量可以独立控制、等离子体密度、电子和离子温度高、等离子体分布均匀等优点。本实用新型是通过三个铈钨阴极产生大量的电子，这些阴极电子在电场加速下获得能量而与气体发生碰撞从而电离、激发气体产生等离子体，继而通过一个放电通道到达阳极，因此本实用新型能有效地得到高密度、均匀和大面积等离子体。另外本实用新型所采用的组合式阴极能通过冷却水对其进行有效的冷却。综上所述，本实用新型与现有技术相比，不仅具有降低产生等离子体的功率、保证产生高密度等离子体的优点，而且还具有电源能量转换率高、操作和维护方便、使用寿命长等优点。本实用新型特别适合快速薄膜沉积使用。

附图说明

图1为本实用新型的主视图。

图2为本实用新型的俯视图。

图3为本实用新型的剖视图。

图中：1-冷却铜管进水口  2-钨阴极  3-气体源接口4-阴极冷却杆  5-放电腔室  6-冷却铜管出水口  7-绝缘层8-反应气体源接口  9-阳极  10-水冷铜板  11-阴极冷却杆进水口  12-阴极冷却杆出水口  13-冷却水循环通道进水口14-冷却水循环通道出水口  15-放电通道  16-拉瓦尔喷嘴17-冷却铜管  18-冷却水循环通道

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1、图2、图3所示，本实用新型主要由放电腔室5、阴极2、阳极9、绝缘层7、水冷铜板10、冷却铜管17和阴极冷却杆4组成，阴极2采用铈钨阴极材料制成，共三根，每根钨阴极分别与阴极冷却杆4连接构成水冷钨阴极，三根水冷钨阴极2插装在放电腔室5的顶部，其尖端(直径为1-2毫米)位于放电腔室5内，每两根水冷钨阴极2之间的夹角为120°，在水冷钨阴极2上设有能方便与直流电源连接的接头。放电腔室5由铜制成，在它的顶部中央设有一个惰性气体源接口3，在它的底部安装有绝缘层7，绝缘层7的材料为氮化硼，在绝缘层7下安装水冷铜板10，铜板厚度为10毫米，绝缘层-水冷铜板交错结构重复7次，各绝缘层7和水冷铜板10上下叠加在一起，其各自的中心孔连通构成放电通道15，放电通道15的内壁采用钼、钨等高熔点材料，外壁采用中空的水冷铜板。在第一个水冷铜板10的内部还设有反应气体源接口8。阳极9连接在最下面一层绝缘层7下，阳极9接地并设有拉瓦尔喷嘴16。为了减少阴极材料的烧蚀，除采用设有进水口11和出水口12的水冷钨阴极外，还在放电腔室5的外壁缠绕有设有进水口1和出水口6的水冷铜管17；为了更好地冷却阳极9，在阳极9的内部设有一个冷却水循环通道18，该冷却水循环通道18通过进水口13和出水口14与外部冷却水源连接。