CN101390187A - 具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其包括容纳处理气体的腔体，该腔体设有供电磁辐射穿过的介电窗。射频电源供应器产生射频信号。至少一具有降低的有效天线电压的射频天线连接至射频电源供应器。所述的至少一射频天线位于接近介电窗的位置以使射频信号电磁耦合进入腔体以激发并离子化处理气体，从而在腔体内产生等离子体。

Description

具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源

技术领域

本发明涉及一种离子源，特别是涉及一种具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源。

背景技术

传统束流离子布植机(beam-line ion implanter)是利用电场来加速离子。根据其质荷比(mass-to-charge ratio)，对被加速的离子进行筛选以挑选用于布植所需要的离子。近年来，等离子体掺杂系统(plasma dopingsys tem)已被研发出来以满足一些现代电子及光学装置的掺杂要求。等离子体掺杂有时被称为PLAD或等离子体浸润离子布植(PI I I)。等离子体掺杂系统是将靶材浸润于含有掺杂离子(dopant ion)的等离子体中并对靶材施加一连串负电压脉冲。等离子体鞘层(shea th)内的电场将离子向靶材加速以将离子布植于靶材表面。

在此所讲的等离子体源为感应耦合式等离子体源(inductivelycoupled plasma source)。感应耦合式等离子体源是利用电磁感应所产生的电流来产生等离子体。时变(time-varying)电流流过平面型及/或柱型线圈以产生时变电磁场，所述时变电磁场产生感应电流，其感应电流流入处理气体(process gas)使处理气体发生崩溃(break down)以产生等离子体。平面型及/或柱型线圈是置于等离子体腔(plasma chamber)的外侧，因此等离子体源不会遭受电极污染(electrode contamination)，从而感应耦合式等离子体源是非常适合于等离子体掺杂应用场合。

发明内容

为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明的用于等离子体掺杂装置的射频等离子体源一实施例的示意图。

图2为本发明可降低等离子体离子能量及介电窗被溅射而造成金属污染的等离子体源电源系统的示意图，此等离子体源电源系统包括一终端。

图3(A)为本发明射频等离子体源的平面型天线线圈一实施例的底部视图。

图3(B)为本发明等离子体源的局部剖面示意图，其包括仅设置在平面型天线线圈上的法拉第遮罩。

图3(C)为本发明等离子体源的局部剖面示意图，其包括在平面型及螺旋型天线线圈上皆设置的法拉第遮罩。

图4为本发明射频等离子体产生器的电容模型一实施例的示意图，此等离子体产生器包括形成电容性分压器的低介电常数的材料，此电容性分压器降低了有效射频天线电压。

100：等离子体源                   102：等离子体腔

104：处理气体源                   106：比例阀

108：压力计                       110：排气口

112：真空泵                       114：排气阀

116：气压控制器                   118：腔体顶部

120：第一部分；介电窗             122：第二部分；介电窗

124：盖体                         126：平面型线圈射频天线

128：螺旋型线圈射频天线           129：阻抗

130：射频源                       132：阻抗匹配网络

134：电介质层                     136：法拉第遮罩

138：等离子体点火器               140：储藏室

142：爆裂阀                       144：支持台

146：晶圆                         148：线圈调节器

200：等离子体源电源系统           202：射频电源供应器

204：射频天线线圈                 206：匹配网络

208：可变电容                     210：可变电容

212：可变电容                     300：平面型天线线圈

302：法拉第遮罩                   304：间隙

320：等离子体源                   322：平面型天线线圈

324：法拉第遮罩                   326：间隙

340：等离子体源                   342：第一法拉第遮罩

344：平面型天线线圈               346：第二法拉第遮罩

348：螺旋型天线线圈               350：间隙

352：间隙                         400：电容模型

340：等离子体源                   342：第一法拉第遮罩

344：平面型天线线圈               346：第二法拉第遮罩

348：螺旋型天线线圈           350：间隙

352：间隙                     T：距离

CP：电容                      CC：电容

CS：电容

具体实施方式

虽然本发明是结合各种实施例来介绍，但并不意味着本发明是限定于这些实施例。相反，熟悉该项技艺者将可认识到，本法明亦包括各种变换，修改及等同物。

例如，虽然本发明的方法及装置是结合PLAD来介绍，本发明的等离子体源亦可应用于多种其他应用场合。而且，应该理解，本发明的等离子体源可包括任何一种或所有在此描述的方法，以降低有效天线电压并因此减少电介质材料的溅射。

应该理解的是，在保持本法明可操作的前提下，本法明的方法的各个步骤可按照任何顺序及/或同时操作。并且，应该理解的是，在保持本发明可操作的前提下，本发明的装置可包括任何数目或所有揭露的实施例。

等离子体浸润离子布植的一个问题是金属污染，其发生于当等离子体中的离子溅射至介电窗(dielectric window)上时。在现有习知技术中，已经知道铝污染可产生于形成PLAD射频等离子体源的三氧化二铝(Al₂O₃)电介质材料的溅射。发生溅射是因为存在相对高的电压施加于射频天线上，此电压加速等离子体中的离子使其具有相对高的能量。这些高能量的离子撞击三氧化二铝电介质材料使其移动至进行离子布植的基板或工件上。

基本上，是期望将等离子体浸润离子布植制程中的铝及三氧化二铝污染的面密度(areal density)降低至5×10¹¹/cm²以下。但是，诸多使用现有习知等离子体反应器(reactor)及使用三氟化硼(BF₃)，砷化氢(AsH₃)的PLAD布植制程导致铝及三氧化二铝的面密度远远高于5×10¹¹/cm²。

本发明的一方面涉及各种方法及装置，其用于降低等离子体离子布植工具中的离子的能量以减少PLAD等离子体源中的三氧化二铝电介质材料的溅射。本发明的方法及装置藉由降低施加于射频线圈的射频驱动电压来减少PLAD等离子体源中的三氧化二铝电介质材料的溅射。

本发明的PLAD等离子体源藉由包括一个或多个降低射频天线电压的特征这种设计来减少金属污染。本发明降低射频天线电压的设计将在提供具有预期等离子体密度的等离子体的同时，还能够降低等离子体中离子的能量并减少不受欢迎的电介质材料的溅射。应该理解的是，本发明的等离子体源可以包括在此描述的任何数目或所有的降低射频天线电压的特征。也应该理解的是，本发明的等离子体源既可用于多种等离子体掺杂应用，亦可用于其它希望产生具有相对低能量离子的等离子体的应用中。

本发明的等离子体源的降低等离子体离子能量的一个特征是射频天线可于其终端连接一降低天线电压的阻抗。现有习知技术PLAD系统的等离子体源是将射频天线直接接地电势。在射频天线终端连接一电容可大量降低产生于天线的最高电压。例如，在一些实施例中，可利用控制与特定等离子体密度相关的二个因素之一来降低施加于天线的最高电压。

本发明的等离子体源之降低等离子体离子能量的另一个特征是等离子体源本身经由特别设计以对射频天线施加相对低电压。即，等离子体源的设计使得离子受到一个降低的加速电压的作用。如在此进一步的描述，天线藉由一额外的电介质层而与三氧化二铝介电窗隔开，与三氧化二铝介电窗的介电常数相比，此额外的电介质层具有相对较低的介电常数。此具有相对较低介电常数的额外电介质层有效地形成一个降低射频天线电压的电容性分压器(capacitive voltage divider)。

本发明的等离子体源的降低等离子体离子能量的又一个特征是等离子体源包括一法拉第遮罩(Faraday shield)。在一实施例中，法拉第遮罩为喷涂(spray-coated)铝法拉第遮罩。法拉第遮罩大量降低了作用于等离子体离子的射频电压。

图1为本发明适用于等离子体掺杂装置的射频等离子体源100的示意图。等离子体源100为感应耦合式等离子体源，其同时包括平面型及螺旋型射频线圈，并具有一导电性顶部。一种类似的射频感应耦合式等离子体源是揭露于2004年12月20号提出申请的美国专利申请案第10/905,172号中，该美国专利申请案已转让给本发明的申请人，其揭露的内容是完整结合于本说明书中。因为等离子体源100可提供高度均匀的离子通量并可有效散发二次电子发射(secondary electron emission)所产生的热量，因此等离子体源100非常适合于PLAD应用。

更具体地，等离子体源100包括一等离子体腔102，其容纳由外部气体源104供给的处理气体。处理气体源104经由比例阀(proportional vavle)106而连结至等离子体腔102，以向等离子体腔102供应所述处理气体。在一些实施例中，使用一气体扰流板(gas baffle)来分散进入等离子体源102的气体。利用压力计(pressure gauge)108来量测等离子体腔102内的压力。等离子体腔102的排气口110连接一真空泵112以将等离子体腔102抽成真空，并使用排气阀114来控制流过排气口110的排气流导(exhaustconductance)。

气压控制器116电连接于比例阀106，压力计108及排气阀114。气压控制器116维持等离子体腔102内所需要的压力，其是藉由对回馈环路(feedback loop)内的影响压力计的排气流导及处理气体流量(flow rate)进行控制而达成的。排气流导是以排气阀114来控制，而处理气体流量是以比例阀106来控制。

在一些实施例中，供应至处理气体中的痕量气体(trace gas)种类的比例控制是藉由一质流计(mass flow meter)来达成的，该质流计连接于提供主要掺杂气体种类的处理气体中。此外，在一些实施例中，可使用分离的气体注入装置来在此处(in-situ)调整气体种类。而且，在一些实施例中，可使用多口(multi-port)气体注入装置来提供造成中性化学效应(neutralchemistry effect)的气体而导致晶圆差异(across wafer variation)。

等离子体腔102具有一腔体顶部118，该腔体顶部118设有由电介质材料构成且大致沿水平方向延伸的第一部分120。腔体顶部118的第二部分122是由电介质材料构成，大致自第一部分120沿竖直方向延伸一高度。第一及第二部分120、122在本文中有时称为介电窗。应该理解的是，腔体顶部118可具有多种变化。例如，如美国专利申请案第10/905,172号所揭露的那样，第一部分120由电介质材料构成且大致沿弯曲方向延伸以使第一及第二部分120、122呈不垂直的关系。在另一实施例中，腔体顶部118仅包括一个平面。

可以选择设计第一及第二部分120、122的形状及尺寸而使等离子体达到某种性能。例如，熟悉此领域的人士将会理解，腔体顶部118的第一及第二部分120，122的尺寸可被设计以改善等离子体的均匀性。在一实施例中，藉由调节第二部分122的竖直方向的高度与其水平方向的长度的比值以得到更加均匀的等离子体。例如，在一特别的实施例中，第二部分122的竖直方向的高度与其水平方向的长度的比值位于1.5-5.5范围内。

第一及第二部分120、122的电介质材料提供一用以将射频电源从射频天线传递至等离子体腔102内的等离子体的媒体。在一实施例中，构成第一及第二部分120、122的电介质材料为对处理气体具有耐化学性且具有良好热性质的高纯度陶瓷材料。例如，在一些实施例中，电介质材料为纯度为99.6％的三氧化二铝或氮化铝(AlN)。在其它实施例中，电介质材料为氧化钇(Yittria)及钕钇铝石榴石(YAG)。

腔体顶部118的盖体124由传导性(conductivity)材料构成，其沿水平方向横跨第二部分122而延伸一长度。在许多实施例中，盖体124的材料具有足够高的传导率以利散热及使二次电子发射造成的电荷效应(charging effect)降至最低。典型地，构成盖体124的传导性材料对于处理气体具有耐化学性。在一些实施例中，此传导性材料为铝或硅。

盖体124可藉由抗卤素的氟碳聚合体(fluoro-carbon polymer)O形环，如化学反应物(Chemrz)及/或全聚氟醚(Kalrex)O形环而连接至第二部分122。盖体124典型地以下述方式安装至第二部分122：其使第二部分122上的压力最小但又能提供足够的压力以密封盖体124与第二部分122。在一些操作模式中，盖体124为射频且直流接地，如图1所示。

有些等离子体掺杂处理因为二次电子发射的原因而在等离子体源100内表面上产生相当数量的分布不均匀的热量。在一些实施例中，盖体124包括调节盖体124及周围区域的温度的冷却系统，以散发处理过程中产生的热量。冷却系统可以是流体冷却系统，该流体冷却系统包括位于盖体124内的冷却流道，供来自液体冷却剂源的冷却剂于其内流通。

射频天线位于腔体顶部118的至少第一部分120及第二部分122其中之一的附近位置。图1中的等离子体源100示出两个分离且电性隔离的射频天线。但是，在其它实施例中，两个分离的射频天线是电性连接的。在图1中的实施例中，具有多圈的平面型线圈射频天线126(有时称为平面型天线或水平天线)位于接近腔体顶部118的第一部分120的位置。另外，具有多圈的螺旋型线圈射频天线128(有时称为螺旋型天线或竖直天线)环绕设置于腔体顶部118的第二部分122。

射频源130如射频电源供应器电性连接于至少平面型线圈射频天线126以及螺旋型线圈射频天线128其中之一。在许多的实施例中，射频源130是藉由阻抗匹配网络(impedance matching network)132而连接至射频天线126、128，以使射频源130的输出阻抗与射频天线126，128的阻抗相匹配，从而使从射频源130传输至射频天线126、128的电源最大化。阻抗匹配网络132的输出与平面型线圈射频天线126及螺旋型线圈射频天线128之间的虚线表示阻抗匹配网络132的输出与平面型线圈射频天线126及螺旋型线圈射频天线128的其中任一射频天线或与两者皆建立电性连接。

在本发明的一实施例中，至少平面型线圈射频天线126及螺旋型线圈射频天线128其中之一的终端连接一阻抗129。在许多实施例中，阻抗129为电容性电抗，如固定或可变电容。如结合图2及图4所作的介绍，射频天线的终端连接电容将降低有效线圈电压及因线圈电压造成的金属污染。

而且，在一些实施例中，至少平面型线圈射频天线126及螺旋型线圈射频天线128其中之一包括一电介质层134，与三氧化二铝介电窗材料的介电常数相较，此电介质层134具有相对低的介电常数。电介质层134可为封装材料(potting material)构成。具有相对低介电常数的电介质层134有效地形成了一降低射频天线126、128电压的电容性分压器(capacitivevoltage divider)。

另外，在一些实施例中，参考图3(A)、3(B)、3(C)，至少平面型线圈射频天线126及螺旋型线圈射频天线128其中之一包括一法拉第遮罩(Faradays hield)136。法拉第遮罩136亦降低了射频电线126、128电压。

在一些实施例中，至少平面型线圈射频天线126及螺旋型线圈射频天线128其中之一可藉由液冷方式来冷却。对平面型线圈射频天线126及螺旋型线圈射频天线128至少其中之一进行冷却将降低由在射频天线126，128内传输的射频电能造成的温度梯度。

在一些实施例中，等离子体源100包括一等离子体点火器(plasmaigniter)138。本发明的等离子体源装置可使用多种类型的等离子体点火器。在一实施例中，等离子体点火器138包括撞击气体储藏室140以协助等离子体点火，撞击气体为可高度离子化的气体，如氩(Ar)。储藏室140藉由高流导气体连接装置而与等离子体腔102连接。爆裂阀(burst va l ve)142将储藏室140与处理腔102隔离开。在另一实施例中，撞击气体源使用低流导气体连接装置直接管道连接至爆裂阀142。在一些实施例中，储藏室140的一部分藉由限制流导孔(limi ted condu ctance orifice)或计量阀(metering valve)而分隔出来，当初始的高流量(high-flow-rate)猛然上升(burst)之后，限制流导孔或计量阀提供稳定流量的撞击气体。

等离子体腔102内于低于等离子体源102顶部区域118的高度设置一支持台144。支持台144支持一用于离子布植的晶圆146，例如，基板或晶圆。在许多实施例中，晶圆146与支持台144电性连接。在图1所示的实施例中，支持台144与等离子体源102平行。但是，本发明的一实施例中，支持台144相对于等离子体源102呈倾斜状态。

支持台144用于支持晶圆146或其它用于处理的工件。在一些实施例中，支持台144机械连接至一可动平台，以在至少一方向上移动(translate)、扫描(scan)或振荡(oscillate)晶圆146。在一实施例中，可动平台为一抖动或振荡晶圆146的抖动产生器(dither generator)或振荡器(oscillator)。移动、抖动及/或振荡运动可降低或消除遮蔽效应(shadowing effect)并改善撞击晶圆146表面的离子束通量的不均匀度。

在一些实施例中，等离子体腔102于接近支持台144的位置设置一偏斜栅(deflection grid)。偏斜栅为这样一种结构，其对等离子体源102内产生的等离子体造成屏障(barrier)，其亦设有通道以当偏斜栅适当偏移时供等离子体离子通过。

熟悉此领域的人士将会理解使用本发明特征的等离子体源100存在许多不同的变化。参见例如于2005年4月25号提出申请，名为“倾斜等离子体掺杂”(Tilted Plasma Doping)的美国专利申请案第10/908，009号中的等离子体源的描述。亦参见于2005年10月13号提出申请，名为“保形掺杂装置及方法”(Conformal Doping apparatus and Method)的美国专利申请案第11/163,303号中的等离子体源的描述。亦参见于2005年10月13号提出申请，名为“保形掺杂装置及方法”(Conformal Dopingapparatus and Method)的美国专利申请案第11/163，307号中的等离子体源的描述。另外，请参见于2006年12月4号提出申请，名为“具有可电子控制布植角度的等离子体掺杂”(Plasma Doping wi th Electronicallycontrollable Implant Angle)的美国专利申请案第11/566,418号中的等离子体源的描述。上述美国专利申请案第10/908,009号、第11/163,303号、第11/163,307号、第11/566,418号所揭露的内容是完整结合于本说明书中。

在操作中，射频源130产生在至少射频天线126、128其中之一中传输的射频电流。即，至少平面型线圈射频天线126及螺旋型线圈射频天线128其中之一为主动式天线(active antenna)。术语“主动式天线”在此定义为直接由电源供应器驱动的天线。射频天线126、射频天线128因其内的射频电流而产生感应射频电流并流入等离子体腔102中。等离子体腔102内的射频电流激发(excite)并离子化处理气体以在等离子体腔102中产生等离子体。等离子体源100可操作于连续模态(continuous mode)或脉冲模态(pulsed mode)下。

在一些实施例中，平面型线圈射频天线126及螺旋型线圈射频天线128其中之一为寄生天线(parasitic antenna)。术语“寄生天线”在此定义为与主动式天线电磁连通(electromagnetic communication)但不与电源供应器直接连接的天线。换言之，寄生天线不是直接被电源供应器激发，而是被主动式天线激发。在一些实施例中，寄生天线的一端电性接地以提供天线调谐能力。在此实施例中，寄生天线包括线圈调节器(coil adjuster)148，用于改变寄生天线线圈的有效圈数。多种不同的线圈调节器，如金属短路(metal short)可以被使用。

图2为本发明可降低等离子体离子能量及介电窗被溅射而造成的金属污染的等离子体源电源系统200的示意图，此等离子体源电源系统200包括一终端(termination)。电源系统200包括射频电源供应器202，其产生在射频天线线圈204中传输的射频信号。

匹配网络206电性连接至射频电源供应器202的输出端。电源系统200的示意图示出一可变电抗匹配网络206，其包括串联连接的可变电容208及并联连接并接地的可变电容210。熟悉此领域之人士将会理解在本发明的范围内，匹配网络存在许多不同的变化。多种合适的匹配网络已提供商用。

匹配网络206的输出电性连接至射频线天线线圈204的输入端。射频天线线圈204的输出端连接一可变电抗，在图式中可变电抗为一可变电容212。然而，应该理解的是，在其它实施例中，天线的终端可具有固定电容性电抗。可变电容212必须能够经受许多应用中的相对高电压及电流。匹配网络206的设计是为使射频电源供应器202的输出阻抗与从射频电源供应器202的阻抗相匹配。在图示的实施例中，从射频电源供应器202的阻抗是射频天线线圈204的阻抗与连接至射频天线线圈204终端的可变电容212的电容性电抗之和。

在一些实施例中，匹配网络206是由手动操作。在这些实施例中，操作者手动调节匹配网络206中的可变电容208、可变电容210以获得适当的阻抗匹配。在其它实施例中，匹配网络206是自动操作以获得适当的阻抗匹配。典型地，所预期的阻抗匹配将使从射频电源供应器202向连接该射频电源供应器202的负载传输的电源最大化，在图2的电源传输系统200中，此负载为射频天线线圈204及可变电容212的串联组合。

可变电容212天线终端的设置使获得良好阻抗匹配更加困难。现有习知用于产生等离子体的典型感应线圈天线是直接接地。此现有习知感应线圈与射频源的匹配相对容易，亦相对高效。然而，可变电容212天线终端及匹配网络206的组合可使更广范围的天线线圈及天线终端与射频电源供应器202相匹配。

在向等离子体传输足够的电源时与现有习知电源传输系统相比，可变电容212天线终端的设置降低了有效天线线圈电压。术语“有效天线线圈电压”在此定义为射频天线线圈204的压降。换言之，有效天线线圈电压为离子所受(“seen by the ions”)的电压或等同于等离子体离子经历(experienced)的电压。

因此，相对低的有效天线电压使产生的等离子体具有相对低能量的离子。这些低能量离子减少了电介质材料的溅射。因此，本发明电源传输系统使用的相对低的有效天线电压降低了由电介质材料溅射介电窗造成的金属污染。

如图2所示的射频天线线圈204的终端处理方式，依设计可降低有效天线电压的40％或更多。如图2所示的射频天线线圈204的终端处理方式，已被证明可在使用三氟化硼及砷化氢的PLAD布植中，将由介电窗被溅射造成的铝面密度降低至可接受的程度。模型(modeling)及实验数据显示，当终端电容为近似1600pF时，天线电压达到最小值(V_MAX/2)。

图3(A)为本发明射频等离子体源的平面型天线线圈300一实施例的底部视图。平面型天线线圈300具有可降低有效天线电压的两个特征。同时参阅图1及图3(A)，图3(A)的底部视图示出的一个特征是，在一些实施例中，至少平面型及螺旋型线圈天线126、128其中之一包括一相对低介电常数的材料，此相对低介电常数的材料位于平面型及螺旋型线圈天线126、128与介电窗120、122之间。

在一些实施例中，此相对低介电常数的材料为一种封装材料。封装材料为一种典型的具有耐湿性的电介质材料。典型的封装材料为液态或油灰状(putty-like)物质。封装材料常被用作电气及电子设备敏感区域的保护性涂层。在本发明一实施例中，封装材料为一种热导橡胶(thermallyconducting elastomer)，其亦使平面型射频线圈300绝缘。

下面结合图4进一步描述，此相对低介电常数的材料形成了一电容性分压器。该电容性分压器极大地降低了有效天线电压并因此降低了加速等离子体中的离子的电压。因此，此相对低介电常数的材料减少了因介电窗120、122被溅射而造成的金属污染。

图3(A)显示出的平面型线圈天线300的另一个特征是，在一些实施例中，在天线线圈的底面形成法拉第遮罩302。法拉第遮罩(亦被称为法拉第笼(Faraday Cage))是一种屏蔽外界静电场的导电材料壳体或导电材料丝网制成。外界电场将会造成导电材料外侧的电荷重新分布(rearrange)以彻底抵消法拉第遮罩302内侧的电场效应。

在平面型天线线圈300底面形成法拉第遮罩302有多种方法。例如，在本发明一实施例中，在介电窗120表面上形成一界定法拉第遮罩302几何形状的罩体(mask)。然后将铝喷涂(spray coated)在罩体界定的表面上。对于许多应用而言，近似500微米的溅射涂层厚度已足够。

法拉第遮罩302几何形状的图案(pattern)的选择应使得介电窗120被充分遮蔽以防止介电窗材料的大量溅射。另外，法拉第遮罩302几何形状的图案(pattern)的选择应使得介电窗120有足够的区域外露(即未遮蔽)，以供充足的辐射(radiation)穿过介电窗120而进入等离子体腔102以形成及维持所需要的等离子体。图3(A)所示的图案中，法拉第遮罩302具有周期性间隔的间隙304，此间隙304可供充足的辐射穿过介电窗120而进入等离子体腔102以形成及维持所需要的等离子体。

本发明的一些设计中，法拉第遮罩302在等离子体点火时电性悬置(electrically floating)，而在离子布植时电性接地。

平面型天线线圈300然后附着至金属化介电窗120上。在一些实施例中，平面型天线线圈300使用封装材料或其它介电常数较介电窗120低的绝缘材料附着至金属化介电窗120上。封装材料或其它绝缘材料必须有足够的厚度以将平面型天线线圈300与金属遮罩相互充分隔开。例如，在一些实施例中，平面型天线线圈300使用热导橡胶附着至金属化介电窗120上。

图3(B)为本发明等离子体源320的局部剖面示意图，其包括具有法拉第遮罩324的平面型天线线圈322。在本实施例中，平面型天线线圈322以相对低介电常数的材料封装以隔绝平面型天线线圈及降低有效线圈电压。法拉第遮罩324中的间隙326可供充足的辐射穿过介电窗120而进入等离子体腔102。在本实施例中，螺旋型天线122不设置法拉第遮罩。

图3(C)为本发明等离子体源340的局部剖面示意图，其包括平面型天线线圈344上的法拉第遮罩342以及螺旋型天线线圈348上的法拉第遮罩346。在本实施例中，平面型天线344及螺旋型天线348皆以相对低介电常数的材料封装以隔绝天线线圈344、348及降低有效线圈电压。平面型天线344的法拉第遮罩342中的间隙(图3(A))350可供充足的辐射穿过介电窗120而进入等离子体腔102。螺旋型天线348的法拉第遮罩346中的间隙352可供充足的辐射穿过介电窗120而进入等离子体腔102。

应该理解的是，本发明的方法及装置可具有降低有效天线电压的一个或全部特征。即，本发明的方法及装置可包括一个或全部相对低介电常数的材料(其形成了电容性分压器)及至少一个法拉第遮罩342、346。而且应该理解的是，这些特征(增设相对低介电常数的材料及至少一个法拉第遮罩)可使用于任何一个或全部的平面型及螺旋型天线线圈上。熟悉此领域的人士将会理解依据本发明所揭示的内容，采用电容性分压器及法拉第遮罩存在许多不同的变化情形。

图4为本发明射频等离子体产生器的电容模型400的一实施例的示意图，此等离子体产生器包括形成电容性分压器的低介电常数的材料，此电容性分压器降低了有效射频天线电压。减小的有效射频天线电压降低了等离子体中的离子能量并因此减少了由于介电窗被溅射而造成的金属污染。

如电容模型400所示，射频电源供应器130(图1)的输出与三个串联连接的电容相连，此三个串联连接的电容代表等离子体产生系统中独立的电容性电抗元件。众所周知，电容与导电板的表面积及构成电容的导电板之间的电介质材料的电容率(permittivity)成正比。而且，电容与电容板之间的距离成反比。在图4中，电容板之间的距离以T表示。

电容C_P代表结合图3所介绍的封装材料的电容。图4的举例中，热导橡胶封装材料的介电常数为4.5ε₀，封装材料电容的电容板之间的距离为0.25毫米，电容与电容板面积的比值为18ε₀。

电容C_C代表形成介电窗120、介电窗122的三氧化二铝陶瓷电介质材料的电容。图4的举例中，三氧化二铝材料的介电常数为9.8ε₀，此介电常数与含量为95％或更高的铝氧化物的介电常数相当。陶瓷电容的电容板之间的距离为13毫米。

电容C_S代表等离子体鞘层的电容。等离子体鞘层为从等离子体至一固态表面的过渡层(transition layer)。特别地，此等离子体鞘层为等离子体中具有过量正电荷的一层，其可平衡与等离子体接触的材料表面上的负电荷。此层的厚度仅为几个迪拜长度(Debye length)。迪拜长度是由某些等离子体性质所决定，如等离子体密度及等离子体温度。此等离子体鞘层的介电常数为空气的介电常数，常被称为ε₀。图4的举例中，等离子体鞘层的电容板之间的距离为0.2毫米。

在许多实施例中，等离子体鞘层的电容大于介电窗120、122的电容，而介电窗120、122的电容大于封装材料的电容。因此，介电窗120、122顶部的电压由以下熟知的方程式得到：

$V_{\mathrm{Top}}=V_{\mathrm{RF}}\frac{C_P}{C_P+C_C}\≈{0.96V}_{\mathrm{RF}}$

此方程式表明，封装材料的压降为0.04_VRF。等离子体与介电窗120、122接触的介电窗120、122底部的电压由以下熟知的方程式得到：

$V_{\mathrm{Bot}}=V_{\mathrm{RF}}\frac{C_P}{C_P+C_C}\frac{C_C}{C_C+C_S}\≈{0.125V}_{\mathrm{RF}}$

因此，藉由在射频天线线圈及介电窗120、介电窗122之间设置较介电窗120、122介电常数低的封装材料以形成封装电容，其可形成一电容性分压器。此电容性分压器极大地降低了有效天线电压并因此降低了加速等离子体离子的电压。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (35)

1、一种具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于其包括：

a)腔体，容纳一处理气体，所述的腔体包括供电磁辐射穿过的介电窗；

b)射频电源供应器，其于输出端产生射频信号；以及

c)至少一射频天线，所述的至少一射频天线的输入端电性连接至射频电源供应器的输出端，所述的至少一射频天线的输出端连接一使有效射频天线电压降低的阻抗，所述的至少一射频天线设置于接近所述的介电窗的位置，以使所述的射频信号电磁耦合进入腔体以激发并离子化所述处理气体，从而于腔体内形成等离子体。

2、根据权利要求1所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的降低有效射频天线电压的阻抗包括电容性电抗。

3、根据权利要求2所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的电容性电抗包括具有可变电容的电容器。

4、根据权利要求1所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的至少一射频天线包括平面型线圈射频天线及螺旋型线圈射频天线其中之一。

5、根据权利要求1所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的至少一射频天线同时包括平面型线圈射频天线及螺旋型线圈射频天线。

6、根据权利要求5所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的平面型线圈射频天线及螺旋型线圈射频天线电性连接。

7、根据权利要求5所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的平面型线圈射频天线及螺旋型线圈射频天线电磁耦合。

8、根据权利要求1所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于更包括于所述的至少一射频天线与所述的介电窗之间设置电介质材料，以形成进一步降低有效射频天线电压的电容性分压器。

9、根据权利要求1所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于更包括环绕所述的至少一射频天线的至少一部分的法拉第遮罩。

10、根据权利要求9所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的法拉第遮罩包括在所述的至少一射频天线的电介质材料上沉积的导电性涂层。

11、根据权利要求1所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的法拉第遮罩在等离子体点火时电性悬置，在等离子体点火之后接地电势。

12、一种具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于其包括：

a)腔体，容纳一处理气体，所述的腔体包括供电磁辐射穿过的介电窗；

b)射频电源供应器，其于输出端产生射频信号；

c)至少一射频天线，所述的至少一射频天线的输入端电性连接至射频电源供应器的输出端，所述的至少一射频天线设置于接近所述的介电窗的位置，以使所述的射频信号电磁耦合进入腔体以激发并离子化所述处理气体，从而于腔体内形成等离子体；以及

d)电介质材料，设置于所述的至少一射频天线与所述的介电窗之间，以形成降低有效射频天线电压的电容性分压器。

13、根据权利要求12所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的至少一射频天线包括平面型线圈射频天线及螺旋型线圈射频天线其中之一。

14、根据权利要求12所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的至少一射频天线同时包括平面型线圈射频天线及螺旋型线圈射频天线。

15、根据权利要求14所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的平面型线圈射频天线及螺旋型线圈射频天线电性连接。

16、根据权利要求14所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的平面型线圈射频天线及螺旋型线圈射频天线电磁耦合。

17、根据权利要求12所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于设置于所述的至少一射频天线与所述的介电窗之间的电介质材料包括沉积在所述的至少一射频天线外表面上的封装材料。

18、根据权利要求17所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的封装材料包括热导合成橡胶。

19、根据权利要求12所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的至少一射频天线的输出端连接进一步降低有效射频天线电压的阻抗。

20、根据权利要求19所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的进一步降低有效射频天线电压的阻抗包括电容性电抗。

21、根据权利要求12所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于更包括法拉第遮罩，其设置于所述的至少一射频天线的至少一部分与所述的介电窗之间。

22、根据权利要求21所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的法拉第遮罩包括在形成所述的电容性分压器的电介质材料上沉积的导电性涂层，所述的导电性涂层设有供射频信号传输的至少一间隙。

23、根据权利要求21所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的法拉第遮罩在等离子体点火时电性悬置，在等离子体点火之后接地电势。

24.一种具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于其包括：

a)腔体，容纳一处理气体，所述的腔体包括供电磁辐射穿过的介电窗；

b)射频电源供应器，其于输出端产生射频信号；

c)至少一射频天线，所述的至少一射频天线的输入端电性连接至射频电源供应器的输出端，所述的至少一射频天线设置于接近所述的介电窗的位置以使所述的射频信号电磁耦合进入腔体以激发并离子化所述处理气体，从而于腔体内形成等离子体；以及

d)法拉第遮罩，其设置于所述的至少一射频天线的至少一部分与所述的介电窗之间，所述的法拉第遮罩降低了有效射频天线电压。

25、根据权利要求24所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的至少一射频天线包括平面型线圈射频天线及螺旋型线圈射频天线其中之一。

26、根据权利要求24所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的至少一射频天线同时包括平面型线圈射频天线及螺旋型线圈射频天线。

27、根据权利要求26所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的平面型线圈射频天线及螺旋型线圈射频天线电性连接。

28、根据权利要求26所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的平面型线圈射频天线及螺旋型线圈射频天线电磁耦合。

29、根据权利要求24所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的法拉第遮罩包括导电性涂层，此导电性涂层设有供射频信号传输的至少一间隙。

30、根据权利要求24所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于所述的法拉第遮罩在等离子体点火时电性悬置，在等离子体点火之后接地电势。

31、根据权利要求24所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源，其特征在于更包括设置于所述的至少一射频天线与所述的法拉第遮罩之间的电介质材料，以形成降低有效射频天线电压的电容性分压器。

32、一种具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源产生等离子体的方法，其特征在于所述的方法包括：

a)将处理气体容纳于腔体内；

b)产生射频信号；

c)降低至少一射频天线的有效天线电压；

d)传输所述的射频信号使其经过具有降低的有效天线电压的所述的至少一射频天线；以及

e)连接来自所述的至少一射频天线的射频信号使其穿过介电窗以激发并离子化所述的处理气体，从而于所述的腔体内产生等离子体。

33、根据权利要求32所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源产生等离子体的方法，其特征在于所述的降低至少一射频天线的有效天线电压的步骤包括连接所述的射频信号使其经过电容性分压器。

34、根据权利要求32所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源产生等离子体的方法，其特征在于所述的降低至少一射频天线的有效天线电压的步骤包括将部分所述的射频信号与所述的介电窗屏蔽开。

35、根据权利要求32所述的具有低有效天线电压的等离子体浸润离子源产生等离子体的方法，其特征在于所述的降低至少一射频天线的有效天线电压的步骤包括在所述的射频天线终端连结电容性电抗。

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