[发明专利]提取和加速离子的空心阴极离子源及方法

说明书

提供一种提取和加速离子的离子源和方法。离子源包括腔室。离子源进一步包括第一空心阴极，其具有第一空心阴极腔和第一等离子体出口孔；以及第二空心阴极，其具有第二空心阴极腔和第二等离子体出口孔。第一空心阴极和第二空心阴极邻近地设置在腔室中。离子源进一步包括第一离子加速器，其在第一等离子体出口孔与腔室之间并与第一等离子体出口孔和腔室连通。第一离子加速器形成第一离子加速腔。离子源进一步包括第二离子加速器，其在第二等离子体出口孔与腔室之间并与第二等离子体出口孔和腔室连通。第二离子加速器形成第二离子加速腔。第一空心阴极和第二空心阴极被配置为交替地充当电极和反电极以生成等离子体。

背景技术

离子源通常用于各种应用，包括以加热、清洁、表面蚀刻和化学改变表面形式的基板处理。离子源可用于沉积氧化物、类金刚石碳以及其它有用的涂层。离子源可用于支持真空沉积工艺和改变薄膜生长。例如，离子源可用于使沉积原子致密、结晶或进行化学反应。实际上，所有离子源都被设计为在真空腔室的减压下操作。一些离子源可充当用于航天器加速的低推力、长时间运行的发动机。

在离子源最基本的形式中，离子源通常由等离子体形成组件和附加组件组成，用于从该等离子体提取和加速离子。除了由等离子体形成组件产生的场之外，这些附加组件通常在等离子体气体内产生电场或磁场。这些附加场对离子施加吸引力或排斥力并导致离子加速。附加组件还增加了整个离子源的复杂性。

等离子体中的大多数离子带正电荷。也就是说，它们是电离的原子或分子，通常缺少一个或两个电子。当这些离子从等离子体中加速时，所产生的离子束通常携带比负粒子(例如电子)更多的带正电粒子。这种电不平衡可能会产生真空硬件或工艺的问题。为了校正这些情况，通常添加诸如热灯丝热离子电子发射器或空心阴极电子源之类的附加电子源设备，以将电荷平衡电子注入离子束。这些电子源通常称为中和器。与其它附加组件一样，使用中和器会增加整个离子源的复杂性。

用于离子源的等离子体形成组件的一个示例是空心阴极。空心阴极包括线性空心阴极和点空心阴极。线性空心阴极不常用于离子源；点空心阴极偶尔用于充当推进器的离子源(例如用于航天器加速)，但这种点等离子体源通常不用于涂覆基板(例如，用于PECVD涂覆工艺)。当使用空心阴极时，与大多数离子源类似，从空心阴极等离子体中提取离子需要附接附加的组件，例如单独供电的电极和磁体。这些组件通常会给离子源增加显著程度的机械和工艺复杂性。此外，当使用空心阴极作为等离子体形成组件时，已知的离子源依赖于专用的阳极结构或单独的阳极孔，导致进一步的复杂性。

离子源的另一问题是在介电沉积工艺期间，介电涂层可能积聚在阳极结构上。另外，当离子源用于等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺时，已知PECVD工艺污染附近的包括阴极或阳极表面的真空腔室硬件(例如，污染可能来自于这些工艺中使用的前驱气体与阴极或阳极表面的反应)。

因此，需要一种克服已知离子源的这些和其它缺点的离子源。

发明内容

以下共同转让的申请描述了诸如可以用于本发明实施例的各种空心阴极等离子体源：美国申请No.12/535,447，现为美国专利No.8,652,586；美国申请No.14/148,612；美国申请No.14/148,606；美国申请No.14/486,726；美国申请No.14/486,779；PCT/US14/068919；以及PCT/US14/68858。这些申请中的每个通过引用以其整体并入本文。

另外，2015年11月16日提交的题为“Plasma Device Driven by Multiple-PhaseAlternating or Pulsed Electrical Current(由多相交流电或脉冲电流驱动的等离子体装置)”的共同转让的美国申请No.14/942,737和2015年11月16日提交的题为“Method ofProducing Plasma by Multiple-Phase Alternating or Pulsed Electrical Current(多相交变或脉冲电流产生等离子体的方法)”的美国申请No.14/942,673通过引用以其整体并入本文。