CN100574003C - 微波谐振腔体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微波谐振腔体，该微波谐振腔包括：同轴波导、介质窗，其中，同轴波导(200)采用圆波导管和锥形波导管组成的一体结构，该同轴波导下方固定有法兰盘(700)，法兰盘中间开有圆形窗口，该窗口外侧开有密封槽(903)，密封槽中设有密封圈，密封圈上固定有介质窗(902)，介质窗和法兰盘内壁之间设有固定橡胶圈(901)，介质窗上设有无磁托盘(600)，该无磁托盘与同轴波导内导体(502)之间通过扼流圈(800)连接。法兰盘上外缘与同轴波导的外导体的下外缘通过螺纹连接，法兰盘下外缘与工艺室上外缘通过螺纹连接。本发明具有微波电场分布均匀、腔体加工尺寸大，拆卸维修方便的优点，可用于为电子回旋共振等离子体设备提供微波电场。

Description

微波谐振腔体
技术领域
本发明涉及电子回旋共振等离子体设备的部件，具体地说就是一种微波谐振腔体，用于为电子回旋共振等离子体设备提供微波电场。
背景技术
电子回旋共振ECR等离子体具有工作气压低、密度高、离化率高、大面积均匀、工艺设备简单、可稳定运行和参数易于控制等优点，可以实现低温高效无污染的表面处理，在集成电路IC制造工艺中有着巨大的应用潜力。ECR是指当输入的微波频率ω等于电子回旋频率ωce时发生共振，微波能量耦合给电子，获得能量的电子电离中性气体分子产生放电的过程。通过调节磁场，使得在放电室的某一区域达到共振条件，这个区域称为ECR区。当微波频率为2.45GHz时，达到电子回旋共振的磁感应强度B为0.0875T。图1给出了ECR等离子体设备的结构示意图。ECR等离子体设备一般由ECR等离子体源101、反应室102、样品台103、气路系统104、真空系统105等构成。
微波谐振腔体是ECR等离子体设备的关键部件，其微波谐振模式、电磁性质、真空密封性和工作面积是ECR等离子体设备的重要参数。现有技术中大多数微波电子回旋共振装置的等离子体均匀性都不理想，其原因主要是：微波电子回旋共振多采用TE10模的2.45GHz的微波，经过TE10模到TE11模的波形变换器后转换为TE11模后再经微波窗片耦合进圆柱形谐振腔，或直接经波导窗耦合进圆柱形谐振腔变成TE11模。而TE10模和TE11模对应的横向电场都是不均匀的，从而导致产生的等离子体的均匀性较差。同时现有技术中微波性质与工作面积是一对矛盾，即尺寸小的腔体，微波模式单一，电磁特性好，但无法实现大面积加工；加大腔体尺寸，虽可以增大加工尺寸，但微波性质差，放电难以进行，严重时甚至可以造成窗口、腔体等部件打火损坏。此外，现有技术多数是通过将微波谐振腔用点焊密封防止微波泄漏，拆卸维修十分不便。
发明的内容
本发明的目的在于提供一种微波谐振腔体装置，以提高微波电场分布的均匀性，克服微波性质与腔体加工尺寸的矛盾，且便于拆卸维修。
本发明的技术方案是：
采用波导-同轴变换器实现从矩形波导到同轴波导的转换；采用锥形同轴波导管扩大微波出口直径，以便生成大口径等离子体；用石英窗作为工艺室密封窗及表面波传输的媒介；采用扼流圈装置防治微波泄漏；用法兰盘实现同轴谐振腔与工艺室的连接。整个腔体装置包括同轴波导、介质窗，其中，同轴波导采用圆波导管和锥形波导管组成的一体结构，该同轴波导下方固定有法兰盘，法兰盘上固定有介质窗，介质窗上设有无磁托盘，该无磁托盘与同轴波导内导体之间通过扼流圈连接。
所述法兰盘中间开有圆形窗口，该窗口外侧开有密封槽。
所述法兰盘密封槽中设有密封圈，介质窗放置在该密封槽上方，介质窗和法兰盘内壁之间设有固定橡胶圈。
所述法兰盘上外缘与同轴波导的外导体的下外缘通过螺纹连接，法兰盘下外缘与工艺室上外缘通过螺纹连接。
所述无磁托盘上设有永磁磁铁。
所述锥形波导管的角度为45°。
所述扼流圈为
Figure C20071001852100041
形圆环，该圆环横边和竖边的边长之和为微波波长的四分之一，其竖边底部固定在托盘上。
本发明由于采用锥形同轴空腔型表面波腔体，因而利于产生大面积微波电磁场分布和等离子体，从而在保证微波性质的前提下可以有效提高等离子体设备的大面积加工能力；同时由于采用扼流圈装置，防止了微波泄漏；此外，由于采用法兰盘、扼流圈、托盘的组合结构，因此该微波谐振腔可以方便拆卸、易于维修。
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是微波ECR等离子体设备结构示意图；
图2是微波功率源及传输系统的结构示意图；
图3是本发明的整体结构图；
图4是本发明扼流圈的结构示意图；
图5是本发明的微波电场沿Z向场分布测试曲线图；
图6为应用本发明的ECR等离子体源的等离子体特性测试曲线图。
具体实施方式
图2给出了微波功率源及传输系统的结构示意图。该微波功率源及传输系统由微波发生器201、环流器202、水负载203、功率计204、定向耦合器205、销钉调配器206、短路活塞207、矩形波导管208、矩形-同轴波导转换器209和微波谐振腔同轴波导200组成。各部分的连接关系为：矩形波导管208从左向右依次分别与微波发生器201、环流器202、定向耦合器205、销钉匹配器206、矩形-同轴波导转换器连接209、短路活塞207连接；环流器202的反射端连接水负载203；功率计204与定向耦合器205连接；矩形-同轴波导转换器209与微波谐振腔同轴波导200连接。微波发生器201采用WY50002-1C型连续波磁控管微波源，该功率源产生的微波经环流器202、水负载203、功率计204、定向耦合器205，销钉调配器206及短路活塞207调节负载匹配及反射功率，由BJ-26矩形波导208和矩形-同轴波导转换器209输送到微波谐振腔同轴波导200中。该微波功率源及传输系统为微波谐振腔激发产生电场输送能量。
参照图3，本发明的谐振腔包括同轴波导200、介质窗902，法兰盘700，无磁托盘600，扼流圈800。其中：
该同轴波导200是由圆波导管和锥形波导管组成的一体结构，包括上圆波导300、锥形波导500和下圆波导管400三段波导管，即由一个外径为21mm的内导体和内径为49mm的外导体构成的同轴波导管300以四十五度角扩展成锥形管500，和一个由外径为304mm的内导体和内径为344mm的外导体构成的同轴波导管400，以便生成大口径微波电场。波导管采用不锈钢材料，内壁镀有黄铜。
该法兰盘700中间开有圆形窗口，该窗口上方外侧开有密封槽903。该密封槽中设有密封圈，密封槽和密封圈保证了ECR反应室的真空度。法兰盘的上外缘与同轴波导外导体501的下外缘通过螺纹310连接，法兰盘的下外缘与工艺室的上外缘通过螺纹311连接，以便拆卸维修。法兰盘用不锈钢材料制成。
该介质窗902为采用陶瓷或石英材料的圆板，其半径大于法兰盘圆形窗口半径和密封槽槽宽之和。该介质窗放置在密封槽903上方，介质窗和法兰盘内壁之间通过固定橡胶圈901固定。
该无磁托盘600放置在介质窗上方，通过扼流圈800与同轴波导内导体502固定，该无磁托盘上放置永磁磁铁905。
该扼流圈800为
Figure C20071001852100051
形圆环，如图4所示，其横边401和竖边402的边长之和为微波波长的四分之一，其竖边底部通过点焊焊接在托盘600上，以防止微波泄漏。与传统的将托盘和同轴空腔焊接起来的结构相比，可以方便地拆卸同轴空腔和磁铁以便维修。
维修拆卸时，首先拆除法兰盘与锥形波导管外导体下缘之间的连接螺纹310，然后将波导管向上垂直提起，最后将托盘、固定橡胶圈、介质窗、密封圈依次取出。
将上述各部件组合起来，形成微波谐振腔体，将该微波谐振腔体与真空工艺室通过法兰盘连接即可实现ECR等离子体设备。
在一个示范性实施例中，本发明的固定橡胶圈901采用聚四氟乙烯橡胶，介质窗902采用Al2O3陶瓷材料。托盘600上面放置有由Nd-Fe-B永磁磁铁905。工艺室通入Ar气作为工作气体，气压为1.0Pa。其工作过程为：微波功率源输出1000W的2.45GHz的微波，经传输回路引入到谐振腔开口面附近的固定橡胶圈901和介质窗902上，微波的输运由陶瓷窗902的外缘向中心移动，从而在工艺室一侧的陶瓷窗表面激发表面波并形成均匀的电场分布，在此电场和磁场的作用下，工艺室内形成了均匀大口径ECR等离子体。
本发明的性能可通过以下测试结果进一步说明。
图5给出的谐振腔微波电场沿着Z向分布曲线是在一个示范性实施例中采用HP8753D矢量网络分析仪测量的ECR工艺室内部的微波场分布。从图中可以看出，在工艺室内部介质窗正下方20～80mm之间电场均匀性优于80％。测量结果表明，该腔体具有较理想的场型分布和谐振特性。
图6给出了用Langmuir探针测量在一个示范性实施例中采用该发明提供的永磁磁场的ECR等离子体源的等离子体性质典型的I-V特性曲线。由图6计算得到，该分布式永磁磁场ECR等离子体源的等离子体密度约为2.6×1010cm-3，等离子体电势约为15V，电子温度约为2.3eV，介质窗正下方50mm处的等离子体均匀性优于95％。

Claims (8)

1.一种微波谐振腔体，包括同轴波导、介质窗，其特征在于同轴波导(200)采用圆波导管和锥形波导管组成的一体结构，该同轴波导下方固定有法兰盘(700)，法兰盘上固定有介质窗(902)，介质窗上设有无磁托盘(600)，该无磁托盘与同轴波导内导体(502)之间通过扼流圈(800)连接。
2.根据权利要求1所述的微波谐振腔体，其特征在于法兰盘(700)中间开有圆形窗口，该窗口外侧开有密封槽(903)。
3.根据权利要求1或2所述的微波谐振腔体，其特征在于法兰盘密封槽(903)中设有密封圈，介质窗(902)放置在密封槽上方，介质窗和法兰盘内壁之间设有固定橡胶圈(901)。
4.根据权利要求1或2所述的微波谐振腔体，其特征在于法兰盘的上外缘与同轴波导的外导体(501)的下外缘通过螺纹连接，法兰盘的下外缘与工艺室的上外缘通过螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的微波谐振腔体，其特征在于无磁托盘(600)上设有永磁磁铁(905)。
6.根据权利要求1所述的微波谐振腔体，其特征在于扼流圈(800)为
Figure C2007100185210002C1
形圆环，该圆环横边(401)和竖边(402)的边长之和为微波波长的四分之一，其竖边底部固定在无磁托盘(600)上。
7.根据权利要求1所述的微波谐振腔体，其特征在于同轴波导(200)采用圆波导管和锥形波导管组成的一体结构，由上圆波导管(300)、锥形波导管(500)和下圆波导管(400)三段波导管组成。
8.根据权利要求7所述的微波谐振腔体，其特征在于锥形波导管(500)的锥角角度为45°。
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