CN101517691B - 电子回旋共振等离子体源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电子回旋共振等离子体源，包括同轴的微波供给线，它具有内导体和外导体，内导体以其一个端头作为天线绝缘地穿过真空法兰，该真空法兰将壁中通往等离子体室的孔口封闭。与微波供给线同轴地设置多极磁体装置，其磁场穿过真空法兰，并在等离子体室中与天线同轴地形成环形缝隙磁场(12)。天线直接伸入到等离子体室中，对置于内导体具有在径向加大的天线头(14)，在该天线头上平行于真空法兰有一个底面(15)，在真空法兰和底面之间形成环形缝隙(16)；等离子体室与天线同轴地和径向上在环形缝隙磁场的外面由一个屏蔽(13)加以限界，该屏蔽的背向真空法兰的端面确定出等离子体出口(25)。

Description

电子回旋共振等离子体源
技术领域
本发明涉及一种电子回旋共振等离子体源(ECR等离子体源)，特别是用于低压范围内的表面处理，例如用于表面活化、清洁处理、基片的磨蚀或涂层。所述电子回旋共振等离子体源包括一个同轴的微波供给线，该微波供给线有一个内导体和一个外导体，它绝缘地穿过一个真空法兰，该真空法兰将壁中通往等离子体室的一个孔口封闭。此外，所述电子回旋共振等离子体源还包括一个天线，该天线作为内导体的一端绝缘地穿过真空法兰；和一个与微波供给线同轴地设置的多极磁体装置，其磁场穿过真空法兰，并在等离子体室中围绕天线形成一个环形磁场。
背景技术
按照现有技术，已知有各种各样的电子回旋共振等离子体源及等离子体束和离子束发射方法。例如，EP 0448077B1介绍了一种微波等离子体管，以用于产生一种受到磁场支持的微波放电，它包括一个放电室、一个用于微波至放电室中的耦合装置和磁体。在一个表面波导体上，设置了一个或多个空心圆柱形的磁体，这些磁体由一个呈U-形设计的、用铁磁性材料制成的外套如此地加以包封，使得开口的那侧贴靠在表面波导体上，并且与空心圆柱形磁体同心地设置用于微波的输入耦合装置。放电室与微波的输入耦合点的真空分离是由一个石英玻璃杯体来确保的，该石英玻璃杯体是可以透过微波的。空心圆柱形磁体可以是线圈或永久磁铁。
通过放电与磁场的结合，来利用电子回旋共振效应，简称电子回旋共振效应。这样，就能将使用压力范围特别扩展到很低的压力，至大约10-5mbar。
举例来说，微波等离子体管可以在10-2Pa的压力范围内按微波功率为400W的情况进行操作，并将等离子体可靠地点火。与气体种类无关，离子密度可达到3至10×1010cm-3。从等离子体可以提取在6英寸直径上达到3mA/cm2的均匀流密度分布的离子流。
在这种等离子体源的实际应用中，其主要的缺点是：对放电室需要采取一些卓有成效的维护措施。因此必须对涂层系统频繁地进行清洁处理，从而会明显提高涂层工艺的成本。
依据所用的涂层材料，特别在采用等离子体涂层方法的情况下，可获得在电学上甚小导电能力的至甚高导电能力的涂层。其中，所生成的层不仅覆盖所用的试样体，而且或多或少地也覆盖整个涂层系统的所有处于直接周围的表面。这一点可能导致对涂层结果的与时间相关的影响，或者说，是限制了可能的涂层时间。
限制涂层持续时间的经常起因就在于导电层，这些导电层对电压或电流引线产生短路，或者说，在无电极的等离子体源的耦合窗口上妨碍电功率的进一步耦合。
发明内容
因此本发明的目的就在于，提供这样一种电子回旋共振等离子体源，它可以简单地消除现有技术中的缺点，并能实现电子回旋共振等离子体源长期无故障的工作运行时间。
为此，本发明提供一种电子回旋共振等离子体源，包括一个同轴的微波供给线，该微波供给线有一个内导体和一个外导体，其中，内导体以一个端头作为天线绝缘地穿过一个真空法兰，该真空法兰将壁中通往等离子体室的一个孔口封闭；还包括一个与微波供给线同轴设置的多极磁体装置，其磁场穿过真空法兰，并且在等离子体室中与天线同轴地形成一个环形缝隙磁场，其特征在于：天线直接伸入等离子体室中并且对置于内导体具有一个在径向加大的天线头，在该天线头上，平行于真空法兰有一个底面，使得在真空法兰和底面之间形成一个环形缝隙；等离子体室与天线同轴地并且径向上在环形缝隙磁场的外面由一个屏蔽加以限界，所述屏蔽的背向真空法兰的端面确定出等离子体出口。
下面将结合本发明的优选实施例的介绍，包括附图，对本发明作详细说明。
按照现有技术，电子回旋共振等离子体源包括一个同轴的微波供给线，它有一个内导体和一个外导体，其中，该内导体以其一端作为天线绝缘地穿过一个真空法兰，该真空法兰将壁中通往等离子体室的一个孔口封闭；还包括一个与微波供给线同轴地设置的多极磁体装置，其磁场穿过真空法兰，并且在等离子体室中围绕天线形成一个环形缝隙磁场，这种等离子体源有利地得到了进一步发展。
依本发明，天线直接伸入到等离子体室中。据此，按现有技术所设的包封着天线的石英玻璃杯体或陶瓷杯体也就不存在了。
按照本发明，等离子体室与天线以及与环形缝隙磁场同轴地通过一个屏蔽加以限界，该屏蔽被保持在真空法兰上。该屏蔽的背向真空法兰的端面构成通向真空室或者说等离子体处理室的等离子体出口。
此外，天线具有一个相对内导体在径向加大的天线头，其底面与真空法兰相平行，使得在真空法兰和底面之间形成一个环形缝隙。
环形缝隙的高度和径向长度以及所述屏蔽的几何布置是如此设定的，即，使得环形缝隙的径向内表面相对于真空室或等离子体处理室而处于光学阴影区域内。
有利的是，环形缝隙的径向长度大于励磁频率的λ/4。环形缝隙的高度按照针对暗室屏蔽尺寸的已知规定加以设定，使得在环形缝隙中形成一个等离子体阴影区，并且可靠地排除等离子体点火。
天线的对置于天线头部的底面的耦合面最好至少局部地设计成锥形、截锥形或球缺形。这种表面构形可促使微波功率有利地向着多极磁体装置的环形磁场的方向辐射，从而保证了在环形磁场范围内电子回旋共振等离子体的可靠点火和维持。其中，与环形缝隙磁场同轴地设置的屏蔽也能对等离子体室的限界起到有利的作用。
载体气体和反应气体可以按已知方式输送到真空室中。其中，例如载体气体所用的供给线也可以经由一个孔沿轴向设置在内导体中。气体供给线的输出口在此可以直接地处于天线的微波功率的辐射范围内。
本发明提出的电子回旋共振等离子体源为了进行较大面积的等离子体处理，也可平行地布置成许多个单独的电子回旋共振等离子体源，按行和列的形式作为阵列设置。
附图说明
下面将参照两个实施例，对本发明作详细说明。属于实施例I的图1表示本发明提出的电子回旋共振等离子体源的一个剖面。图2表示图1所示的电子回旋共振等离子体源的透视的总体示意图。图3表示属于实施例II的一个相对于图1加以改变的电子回旋共振等离子体源，用在等离子体涂层装置中。
具体实施方式
实施例I
图1表示本发明提出的一种电子回旋共振等离子体源的原理性结构。该电子回旋共振等离子体源包括一个同轴的微波供给线1，其配有一个内导体2和一个与该内导体2同轴的外导体3。内导体2相对于外导体3通过介电体4加以绝缘。其中，介电体4同时保证了使内导体2绝缘地穿过一个真空法兰5、从而使内导体2的相应端头自由地伸入到等离子体室中。
真空法兰5是作为装配法兰加以设计的，它将壁中通往等离子体室6的一个孔口封闭成真空密封的。
内导体2的端头穿过真空法兰5并伸入到等离子体室6中，该端头形成微波供给线1的天线7。与微波供给线1同轴，在等离子体室6的外面设置了一个配有永久磁铁的多极磁体装置8，该多极磁体装置有一个铁壳9。在铁壳9的极靴10和11的范围内，同轴地围绕天线7产生一个环形缝隙磁场12，该磁场穿过真空法兰5，进入到等离子体室6中。
与天线7同轴，沿径向在环形缝隙磁场12的外面，设置了一个屏蔽13，其背向真空法兰的端面形成等离子体出口25。屏蔽13构成了限定等离子体室6的边界，并有利地影响着等离子体室6中电子回旋共振等离子体的形成。
按本发明，天线7是作为一个相对于内导体2在径向加大的天线头14设计的，该天线头平行于真空法兰5具有一个底面15，使得在真空法兰5和天线头14的底面15之间形成一个环形缝隙16。在其底面15的对面，天线头14设计成截锥的形状。这样，就可实现微波功率向着环形缝隙磁场12的方向有利地辐射。
在实施例I中，载体气体或反应气体的供给是经由真空法兰5中的一个孔17予以实现的。
为了更好地理解起见，图2再以电子回旋共振等离子体源的透视图来表示实施例I的电子回旋共振等离子体源。可以从图2看出，对图1有所补充的是，可以看到一个微波施加器18，它用作一个矩形空心导体与微波供给线1之间的波变换器，以及用于使微波大致地匹配于图中未示出的微波发生器。
实施例II
属于实施例II的图3示出一个与图1所示电子回旋共振等离子体源相似的构造形式，不过在一个示意的概图中有一个涂层装置，它主要包括一个真空室20，配有一个抽气管口21和一个基片支座22，被处理的基片23可以放置在该支座上。
本发明提出的电子回旋共振等离子体源具有等离子体出口25，该出口相应于屏蔽13的背向真空法兰5的端面，它是平行地对置于基片支座22加以布置的。
除了相应于实施例I的孔17之外，同心地在内导体2上还有一个孔24。通过这两个孔17和24，可以有选择地将载体气体和反应气体输送到真空室20中。
如同实施例I那样，内导体2和天线7都是加以绝缘地安置在微波供给线1的外导体3中。这样便可将一个附加的电压馈给源26连接到配有天线7的内导体2上。此外，在实施例II中，屏蔽13内部配有一绝缘的衬层27。这样，电子回旋共振等离子体便可相对机壳电位被设定到不同高的电位。
为了实现电压馈给，可以选择使用直流电压源或交流电压源。例如，若在微波供给线1上设定一个相对机壳电位为正的电位，就在例如处于机壳电位上的基片23的方向产生一种离子萃取。假如连接一个交流电压，则会导致与电子回旋共振等离子体的叠加，从而形成一种交变的边缘涂层电位。依据电子回旋共振等离子体的边缘涂层电位的瞬时的极性和大小，结合基片电位，便可萃取不同密度的离子或电子。该电子回旋共振等离子体源于是便变成为等离子体射束源。
本发明提出的具体的电子回旋共振等离子体源例如可以具有以下的设计指标。其中，真空法兰5的尺寸符合于DN 160CF的ISO-标准3669。等离子体室6通过一个钵状的屏蔽13加以确定，具有的高度为45mm、直径为145mm。内部的绝缘的衬里27具有相应的尺寸。衬里也可以选择为可更换的，包括其他不同的材料，例如铝箔。
天线头14呈截锥形状，其高度为25mm，底面15的直径为80mm，是用特种钢制造的。
在真空法兰5和底面15之间的环形缝隙16所具有的高度为4mm、径向长度为30mm。因此，在电子回旋共振等离子体源的典型的使用范围内，在压力为1×10-4至1×10-2mbar的条件下，在环形缝隙16中不可能有等离子体点火发生。
与屏蔽13配合作用，为此，环形缝隙16的径向内表面最好对置于真空室或等离子体处理室，处于光学阴影区中。另外，环形缝隙16的径向内表面也处于等离子体阴影区中，从而使得环形缝隙16也不会由于在等离子体中移动的微粒而被涂层。
下面将对该电子回旋共振等离子体源在用于等离子体支持的涂层淀积方面作详细说明。
在设定了真空室20及等离子体室6中所需的气氛之后，通过微波发生器18向微波供给线1输供微波功率，并由天线7的天线头14将微波功率辐射到等离子体室6中。通过天线头14的特定形状，结合屏蔽13，使环形缝隙磁场14与微波功率相叠加，并在等离子体室6中导致形成电子回旋加速效应，这就是说，在此区域中，电子回旋共振等离子体19被点火并被维持。
本发明提出的天线7的天线头14的设计，能够意想不到地实现微波功率的辐射，而不会在天线7上发生非希望的等离子体点火现象，这种现象有可能导致天线的辐射性能的限制。这基本上是通过天线头14的特定形状和屏蔽13的几何结构，相对于形成电子回旋共振等离子体19的环形缝隙磁场12的位置来限定等离子体室6的边界。
特别有利的是，环形缝隙16的结构设计很简单，居于天线头14的底面15和真空法兰5之间。在本实施例中，环形缝隙16是简单地通过作为截锥形的天线头14的构造得以形成的。天线头14的这种特定形状还满足了一种有利的微波辐射器的全部条件。
通过调整截锥体的高度和直径，便可简单地改变天线的辐射特性和环形缝隙16的径向长度。如若将缝隙长度设定为励磁频率的至少λ/4(波长/4)，则对天线7的辐射特性起到有利的作用。于是防止了直接在天线上的意外的等离子体点火，从而避免发生放电短路的后果。
其中，特别有利的是，环形缝隙16的径向内表面在淀积导电的及绝缘的层时，不会被涂层，因而可以省去按照现有技术的解决方案所必需的在短时间间隔内便要进行的维护工作。
所产生的电子回旋共振等离子体4的形状可以很容易地根据经验以屏蔽13的高度及屏蔽13离天线7的距离来加以适配或调制。
在一种特定的应用中，可以利用该电子回旋共振等离子体源来淀积硬质的非晶质的碳层。其中，作为涂层室中的反应气体和碳载体，可使用一种具有乙炔的气氛。处理压力为大约5×10-4mbar。在基片23离开电子回旋共振等离子体源的屏蔽13上的等离子体出口25的距离为大约100mm的情况下，依据所用的微波功率之不同，可以达到大约20nm/分钟至大约40nm/分钟的平均涂层速率。
在40小时涂层持续时间的涂层试验中，利用上述的过程参数，未曾观察出在微波匹配上以及在电子回旋共振等离子体的稳定性上有何变化。其中，所淀积的碳层的层厚度约为100μm。这些结果表明，本发明提出的电子回旋共振等离子体源对于淀积导电的薄层特别适用。
所用附图标记一览表
1微波供给线                15底面
2内导体                    16环形缝隙
3外导体                    17孔
4介电体           20       18微波施加器
5真空法兰                  19电子回旋共振等离子体
6等离子体室                20真空室
7天线                      21抽气管口
8多极磁体装置              22基片支座
9铁壳             25       23基片
10极靴                     24孔
11极靴                     25等离子体出口
12环形缝隙磁场             26电压馈给源
13屏蔽                     27绝缘的衬层
14天线头

Claims (7)

1.电子回旋共振等离子体源，包括一个同轴的微波供给线(1)，该微波供给线有一个内导体(2)和一个外导体(3)，其中，内导体(2)以一个端头作为天线(7)绝缘地穿过一个真空法兰(5)，该真空法兰将壁中通往等离子体室(6)的一个孔口封闭；还包括一个与微波供给线(1)同轴设置的多极磁体装置(8)，其磁场穿过真空法兰(5)，并且在等离子体室(6)中与天线(7)同轴地形成一个环形缝隙磁场(12)，其特征在于：天线(7)直接伸入等离子体室(6)中并且对置于内导体(2)具有一个在径向加大的天线头(14)，在该天线头上，平行于真空法兰(5)有一个底面(15)，使得在真空法兰(5)和底面(15)之间形成一个环形缝隙(16)；等离子体室(6)与天线(7)同轴地并且径向上在环形缝隙磁场(12)的外面由一个屏蔽(13)加以限界，所述屏蔽的背向真空法兰的端面确定出等离子体出口(25)。
2.按权利要求1所述的电子回旋共振等离子体源，其特征在于：环形缝隙(16)的径向内表面处在等离子体出口(25)和天线头(14)底面(15)的外棱边之间的光学阴影中。
3.按权利要求1或2所述的电子回旋共振等离子体源，其特征在于：环形缝隙(16)的径向长度大于励磁频率的λ/4，而环形缝隙(16)的高度设定为，使得在环形缝隙中形成一个等离子体阴影区，并可靠地排除等离子体点火。
4.按权利要求1所述的电子回旋共振等离子体源，其特征在于：天线头(14)对置于其底面(15)有一个耦合面，该耦合面至少局部设计成锥形、截锥形或球缺形。
5.按权利要求1所述的电子回旋共振等离子体源，其特征在于：沿轴向在内导体(2)中有一个用于供给过程气体的孔。
6.按权利要求1所述的电子回旋共振等离子体源，其特征在于：内导体(2)还与一个电压源(26)相连，并且所述屏蔽(13)具有一个绝缘的衬层(27)。
7.按权利要求1所述的电子回旋共振等离子体源，其特征在于：平行地按照行和列的形式作为阵列设置许多个单独的电子回旋共振等离子体源，用以进行较大面积的等离子体处理。
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