CN103765551B - 等离子体源、相应设备和产生等离子体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种等离子体源，所述等离子体源以漂游的方式布置在真空室处，其中，所述等离子体源包括源壳体并且在所述源壳体中设置有与所述源壳体绝缘地布置的细丝，其中，设置有用于测量源壳体与细丝之间的电位降的装置。所测量的电位降可以用于调节对细丝加热的电压。根据本发明设置相应的装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种等离子体源和具有这种等离子体原的设备。本发明还涉及一种用于借助热离子放电来产生等离子体的方法。
背景技术
在此，细丝借助电流来加热，这导致电子从细丝的热表面发射。电子从热表面的发射遵循首先由理查森所描述的规律：
其中，J是电流密度，T是温度，并且W是电子的逸出功。
如果细丝的表面达到如下温度——所述温度对于钨来说大于约2900K，则从该表面充分地发射电子，从而借助其一旦电子基于电压而充分地加速，氩气就可以离子化到使得等离子体被维持的程度。
根据现有技术，通过恒定的电流强度来实施对细丝的加热。在施加交流电压的情况下，通常通过相位角控制（Phasenschnittsteuerung）来调节该电流的有效值。在高温下工作时，细丝材料（如钨）汽化，由此，细丝的金属丝直径减小。其结果是，细丝的通过金属丝定义的电阻增加。在加热电流保持不变的情况下，这导致了更强的加热，因此导致细丝材料的加速汽化。在短时间内出现熔断。图1a示出在加热电流保持不变的情况下与工作持续时间相关的细丝直径。相应地，图1b示出在加热电流保持不变的情况下与工作持续时间相关的细丝温度。在此，可以明显地看出，在金属丝直径起初不断降低之后，出现细丝的快速烧断（pinchthrougheffect：掐断效应）。
发明内容
本发明所基于的任务是，说明一种方法，借助所述方法能够避免这种快速的烧断，并且因此能够提高工作持续时间，即细丝寿命时间（Filamentstandzeit）。
在本发明人尝试增加寿命时间时，一方面，本发明人已经发现，在细丝金属丝的温度保持恒定的情况下金属丝直径以几乎恒定的速率降低。
在本发明人的尝试中，本发明人另一方面已经惊讶地发现，在以细丝与等离子体之间的恒定电压降工作的情况下，细丝的温度几乎保持不变并且汽化速率随着细丝直径的减小甚至下降。
因此，根据本发明，细丝未以恒定的电流强度而是以恒定的电压工作。根据本发明的在真空室处的等离子体源，其用于在所述真空室中产生等离子体，其中，所述等离子体源包括源壳体，所述源壳体具有伸入到所述真空室中的开口，并且在所述源壳体中设置有细丝，经由绝缘地通过所述源壳体实现的电线能在所述细丝上施加加热电压，从而使所述细丝能借助电流来加热，其中，所述源壳体与所述真空室电绝缘地布置在所述真空室处，其特征在于，设置有允许测量至所述细丝的馈电线与所述源壳体之间的电压降以作为所述细丝与在所述源壳体内部点火的等离子体之间的电位降的状态特性的装置，而且设置有用于调节所述加热电压的装置，所述用于调节所述加热电压的装置被设计成能将所测量的值作为调节信号来处理，并且被设计成能使所述电位降保持恒定并由此能使所述细丝的温度保持恒定。中所述的等离子体源中，所述加热电压可以借助至少一个开关电源部分来馈给，并可以优选在中心以及与所述细丝相对置地施加放电所需的放电电压。本发明还提供一种具有这种等离子体源的设备，其特征在于，所述等离子体源分别由至少一个源线圈包围，并且所述等离子体源由延伸的、包括多个等离子体源的外部线圈包围，所述设备被设计成能将处理室中的等离子体分布在处理高度上。在所述的设备中，所述加热电压可以借助至少一个开关电源部分来馈给，并可以优选在中心以及与所述细丝相对置地施加放电所需的放电电压。本发明还提供一种用于在真空室中产生等离子体的方法，其中，在所述真空室处布置具有源壳体和细丝的等离子体源，并且为了维持所述等离子体，将所述源壳体相对于所述真空室和所述细丝保持在浮动电位上，也即保持漂游，并且其中，为了维持所述等离子体，测量细丝与等离子体在其内部燃烧的源壳体之间的电位降，并且使用所测量的电位降以调节在所述细丝上施加的加热电压，其中所述加热电压引起加热所述细丝的电流并且因此引起电子发射，以及如此调节所述加热电压，使得所述源壳体与所述细丝之间的电位降保持恒定。所述源壳体与所述细丝之间的电位降优选保持在0V和-10V之间的值上。
附图说明
现在，详细地并参照附图示例性地描述本发明。
图1a示出在加热电流保持不变的情况下与工作持续时间相关的细丝直径，
图1b示出在加热电流保持不变的情况下与工作持续时间相关的细丝温度，
图2示出在加热电流Ikonst和温度Tkonst保持不变的情况下与工作持续时间相关的细丝直径，
图3a、3b示出与具有恒定温度的细丝的工作持续时间相关的金属丝直径演变，并且为了比较而示出在恒定电流强度下的测量，
图4示出根据现有技术的一种等离子体源，
图5示出本发明的一种实施方式，
图6示出本发明的另一种实施方式。
具体实施方式
图4示出根据现有技术的一种等离子体源，其布置在真空室1处。该等离子体源包括源壳体3，该源壳体具有用于氩气的进气口5。在源壳体3中设有细丝9，所述细丝通过与源壳体3绝缘的通道11连接到变压器13上。细丝9在本例中由具有2mm直径的钨丝构成。变压器在本例中以50Hz的交流电压工作。约200A的加热电流流过细丝9。如果细丝9的表面达到大于2900K的温度，则电子从细丝表面充分地被发射，所述细丝表面在借助真空室15和变压器13之间的电压源15施加放电电压的情况下能够将通过进气口5流入源壳体3内部的氩气离子化。放电的点火在第一时刻通过电阻实现，所述电阻将源壳体3与地连接（未示出）。如果存在充分的电荷载流子，则放电电流可以通过开口17（也称作“orifice：孔”）导入真空室1中。
根据本发明，现在，如在图5中所示的那样，借助绝缘部7将源壳体电绝缘地布置在真空室1处，并且测量保持在浮动电位上的源壳体3与至细丝9的馈电线之间的电压。细丝9通过电流I加热。细丝上下降电压Vheiz，该电压可以通过变压器13来调节。在源体3以电浮动的方式（漂游的方式）装配之后，根据本发明在称作阴极的馈电线与源壳体之间的电位测量可以作为细丝9与在源壳体内部点火的等离子体19之间电位降的状态的特性、因此作为从细丝的电子逸出的状态的特性来评价。根据本发明，所述状态例如通过调节加热电压Uheiz而基本上保持恒定。因此对Vfloat的测量能够实现保持对电子逸出的最佳状态的保持。通过这种方式，能够将细丝的温度保持得最佳。最佳在此上下文中意味着，在该温度下细丝材料的汽化速率小到可接受，而大到足以确保对于维持等离子体来说足够高的电子发射。因此，相对于现有技术显著提高了细丝的寿命、也即寿命时间。
根据本发明的一种实施方式，等离子体源装置可以包括用于对衬底进行加热和等离子蚀刻的多个等离子体源，所述多个等离子体源根据热离子发射的原理起作用。等离子体源的细丝通过所施加的电压来加热，其中，根据本发明，如此调节所施加的电压，使得细丝与漂游的源壳体之间的电压达到优选基本上恒定的、在0V和-10V之间的值。
优选地，所述加热通过开关电源部分来实现。根据所述实施方式，在各个等离子体源处设置源线圈。通过组合外部线圈的磁场与源线圈的磁场来将处理室中的等离子体分布在处理高度上。处理室和/或漂游绝缘地实现的阳极可以用作放电阳极。
根据本发明的另一种实施方式，变压器13由所谓的开关电源部分21取代，如图6中所示的那样。这种开关电源部分21包括铁氧体磁芯23，初级线圈25的绕组围绕所述铁氧体磁芯卷绕（仅示出铁氧体磁芯的一部分），而至细丝的输送线路例如仅形成一个环。根据本发明，在两个至细丝的输送线路处设置有铁氧体磁心，并且放电电压VDisc被集中地施加在与细丝9相对置的侧上。通过这种方式，也即借助于开关电源部分实现很小且紧凑的等离子体源。
Claims (8)
1.一种在真空室处的等离子体源，其用于在所述真空室中产生等离子体，其中，所述等离子体源包括源壳体，所述源壳体具有伸入到所述真空室中的开口，并且在所述源壳体中设置有细丝，经由绝缘地通过所述源壳体实现的电线能在所述细丝上施加加热电压，从而使所述细丝能借助电流来加热，其中，所述源壳体与所述真空室电绝缘地布置在所述真空室处，其特征在于，
设置有允许测量至所述细丝(9)的馈电线与所述源壳体之间的电压降以作为所述细丝（9）与在所述源壳体内部点火的等离子体之间的电位降的状态特性的装置，而且
设置有用于调节所述加热电压的装置，所述用于调节所述加热电压的装置被设计成能将所测量的值作为调节信号来处理，并且被设计成能使所述电位降保持恒定并由此能使所述细丝（9）的温度保持恒定。
2.根据权利要求1所述的等离子体源，其特征在于，所述加热电压借助至少一个开关电源部分来馈给。
3.根据权利要求2所述的等离子体源，其特征在于，在中心以及与所述细丝相对置地施加放电所需的放电电压。
4.一种具有多个根据权利要求1所述的等离子体源的设备，其特征在于，所述等离子体源分别由至少一个源线圈包围，并且所述等离子体源由延伸的、包括多个等离子体源的外部线圈包围，所述设备被设计成能将处理室中的等离子体分布在处理高度上。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述加热电压借助至少一个开关电源部分来馈给。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，在中心以及与所述细丝相对置地施加放电所需的放电电压。
7.一种用于在真空室中产生等离子体的方法，其中，在所述真空室处布置具有源壳体和细丝的等离子体源，并且为了维持所述等离子体，将所述源壳体相对于所述真空室和所述细丝保持在浮动电位上，也即保持漂游，并且其中，为了维持所述等离子体，测量细丝与等离子体在其内部燃烧的源壳体之间的电位降，并且使用所测量的电位降以调节在所述细丝上施加的加热电压，其中所述加热电压引起加热所述细丝的电流并且因此引起电子发射，以及如此调节所述加热电压，使得所述源壳体与所述细丝之间的电位降保持恒定。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述源壳体与所述细丝之间的电位降保持在0V和-10V之间的值上。
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