CN104620682B - 通过电子回旋共振（ecr）从气态介质产生沿轴线具有高范围的等离子体的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了通过电子回旋共振(ECR)从气态介质产生沿轴线具有高范围的等离子体的设备，设备包括至少两个同轴波导(4)，每个由中心导体(1)和外部导体(2)形成，以使微波进入处理腔室，其特征在于：至少两个电磁波喷射导向器(4)与在一个方向上拉长的磁路(21‑22)相结合，通过产生磁场包围所述波导的磁路能够达到接近所述波导的ECR条件。

Description

通过电子回旋共振（ECR）从气态介质产生沿轴线具有高范围 的等离子体的设备

技术领域

本发明涉及从气态介质通过电子回旋共振(ECR)产生等离子体的技术领域，且更具体地涉及真空表面处理领域。

背景技术

如本领域技术人员非常了解的，当电磁波和静磁场足够强，使电子围绕磁场线的回旋运动的频率等于在同一时间施加的波的频率时，发生电子回旋共振。因此，电子可吸收波的能量，然后将其传送给气体以便形成等离子体。通过电子回旋共振产生的等离子体可用于金属的或非金属的部件的表面处理，诸如通过离子蚀刻的部件的清洁、对PVD方法的离子协助、形成PACVD涂层的气体种类的活化。这种等离子体处理方法可用于机械学、光学、腐蚀防护或能源生产的表面处理，等等。

根据现有技术状态，许多等离子体处理需要具有沿轴线有大的延长的等离子体的源。一种产生延长的等离子体的方法是并置几个小尺寸的源。例如在专利EP 1075168中描述的，其中通过并置几个耦极ECR源，从而产生了多耦极的结构，由此来产生等离子体。在图1中示出了在该专利中描述的配置。在微波频率下的电子回旋共振(ECR)，由于可很容易地进行功率分配，故非常适合于这种多个源的技术。然而，采用这种对源的简单并置，难以获得很好的沉积均匀性。此外，这种源的两极结构不能引导等离子体朝向待被处理的基板，从而产生朝向壁的显著等离子体损耗。这种损耗相当于功率损耗，其限制了沉积速度。

其它ECR源具有磁性配置，其通过引导等离子体更朝向待被处理的基板而降低损耗。例如在专利WO 2008/017304(图2)中描述的源的情况。如在该专利中规定的，这些并排放置的源中的几个允许横跨超过单个源的大小的宽度的处理。然而，由于源之间的磁相互作用，这样的配置将不会提供良好的处理均匀性，当源接触时将必然存在等离子体密度的下降。

存在在一个方向上具有显著的固有延长的其它ECR等离子体源。在专利DE4136297、DE 19812558和WO 2005/027595中描述了这些源。这些源的共同点是，实际的等离子体形成同轴结构或中空波导的外部导体的一部分。图3，其对应于专利DE 19812558的现有技术，代表性地示出了这种源的结构。专利DE 4136297的源包括由电介质材料制成的中空圆筒，其将波导的内部与等离子体分隔。该元件的缺点是，在其表面上的任何导电沉积物将阻止等离子体的形成。例如，因为金属蒸汽会由于剥离而污染电介质，这种源不能用于金属部件的剥离。虽然专利DE 19812558和WO2005/027595的源对于这种污染可能是较不敏感的，但它们也不优化等离子体朝着待被处理的部件。

发明内容

本发明旨在用简单的、可靠的、高效的和合理的方式克服这些缺点。

因此，本发明旨在解决的问题是提供一种具有良好的均匀性的线性等离子体源，其引导等离子体朝向待被处理的基板，由此降低朝向壁的损耗，且可使其对于在其表面上形成的任何导电沉积物不敏感。

为了解决这种问题，已经设计和研制了一种从气态介质通过电子回旋共振(ECR)产生等离子体、且包括至少两个由中心导体和外部导体形成的用于促使微波进入处理腔室的同轴波导的设备，其特征在于：至少两个电磁波喷射导向器与在一个方向上拉长的磁路相结合，通过产生磁场包围波导的所述磁路能够达到接近所述波导的ECR条件。临近意味着ECR区域应尽可能接近天线，而没有横跨ECR区域的将主要由喷射器的天线截获的磁场线。

从这些特征呈现以下事实：电磁波的喷射是点状的，其通过在围绕喷射器4的磁系统20的场中的电子漂移(由图4中的箭头50表示)进行平滑化，回顾喷射器4由同轴波导1、-2和天线5-6或7形成的。漂移指电子垂直于场线40的缓慢移动。这种移动归因于这些线的梯度和曲率。事实上，通过漂移，两个喷射器之间的空间接收源于两个喷射器的共振区域的热电子。随着电子的漂移，它们通过产生离子而损耗其能量。电离率随着距喷射器的距离的增加而降低，但两个相反的漂移添加到彼此，借以根据沿其较长一侧的位置，源的强度变化不大。

为了解决形成用于电子的磁阱以便限制其损耗而造成的问题，磁路具有接近于波导的两个相反极性的磁极。第一磁极形成包围波导的第一线，而第二磁极形成围绕所述第一线的第二线。

根据本发明应进行提醒的是，波喷射器通过同轴导向器形成，该同轴导向器的中心导体的端部在天线中。现在，对于本领域技术人员来说，这种系统可运行不是显而易见的，这是由于在一个方向上拉长的磁路诸如所声明的，不能使ECR区域围绕喷射点，正如例如之前提到的专利WO2008/017304的源的情况。实际上，给等离子体传递能量变得更加困难，因为，首先，靠近喷射器的ECR的体积更小；以及第二，天线的环境不是均质的：波从具有旋转对称性的导向器通过，进入不具有这种对称性的介质(等离子体)，且从而波被部分地反射。该第二点是特别由于当等离子体点燃时系统经历转变的问题：等离子体点燃之前，介质(真空)是均质的，但之后其不再是均质的。这种转变产生难以管理的阻抗变化。喷射器一般装备有阻抗匹配设备，但这种设备通常是手动，且在过程中不提供修改。

由于这些不同的原因，研制特别适用于在拉长的磁系统下的设备操作的不同形状的天线是必要的。

为了实现这一点，在第一实施方案中，中心导体具有直径比波导的开口更大的同心盘以保护所述导向器的内侧，其被定位成尽可能接近ECR区域，且顶部有与中心导体同轴对齐布置的杆。

在第二实施方案中，中心导体通过沿着磁路的最长轴线拉长的板终止，至少所述板的端部之一被配合放置成与源的表面接触，以便产生短路，该板的宽度大于波导的开口。

板的宽度沿其整个长度恒定，或板的宽度随着距离中心导体的距离的增加而减小，且关于所述导体的所述至少一个侧面减小。

基于本发明的根本特征，设备适用于包括带冷却回路的主体的处理腔室的情况，所述主体包括壳体，其用于由根据第一极化的磁体的第一线和根据相反极化且围绕第一线的磁体的第二线形成的拉长的磁路的装配，所述第一线围绕装配在横跨主体的厚度形成的孔中的波导，磁体的第一和第二线通过铁磁板被连接在与等离子体相反的一侧上，主体和磁系统通过非磁性屏蔽物而与等离子体隔开。

考虑天线的不同可能的形状，以便使其适应于拉长的磁系统的操作：

-或者，每个导向器的中心导体是圆柱形的杆，其相对于以良好的电接触插入到主体内的外部导体居中，介电窗被置于导向器内部，在开口下方，所述开口被盘所覆盖，该盘的顶部有被用作天线的杆。

-或者，每个导向器的中心导体是圆柱形杆，其相对于通过形成良好的电接触的方式插入到主体内的外部导体居中，介电窗被置于导向器内部开口下方，所述开口被沿着喷射器的轴线拉长的板所覆盖，所述拉长相对于用于位于磁路的圆形端的波导的中心导体是非对称的，且该拉长仅在相对端的方向上，相对于用于位于磁路的线性部分中的波导的中心导体对称，每个拉长的部分设置有用作短路的配件。

附图说明

以下通过附图进一步详细地讨论本发明，其中：

图1是在专利EP 1075168中描述的现有技术的简化视图。

图2是在专利WO 2008/017304中描述的现有技术的简化视图。

图3是在专利DE 19812558中描述的现有技术的简化视图。

图4是本发明的原理的简化视图。

图5A和5B根据本发明示出磁结构的可能实施方案。

图6根据本发明示出天线的第一形状。

图7A、7B和7C根据本发明示出天线的其它形状。

图8是本发明的第一实施方案的透视图，其具有在微波入口水平处的横截面。

图9是本发明的第二实施方案的透视图，其具有在微波喷射器的平面中的横截面和垂直于该平面的在两个喷射器之间的第二横截面。

具体实施方式

本发明的基本原理，即，围绕几个微波喷射器的拉长的磁路，在图4和5中被示意性地示出。

磁路在源表面附近具有两个极性相反的磁极，从而形成用于电子的磁阱。第一磁极形成围绕电磁波的喷射导向器4的第一线21，且第二磁极形成围绕该第一线的第二线22。

图5示出了用于磁路的两种可能的形式。第一种形式(图5A)具有更容易形成的优点，但ECR区域在线性部分相切于喷射器。第二种形式(图5B)试图优化ECR体积以接近于喷射器。

通过设置磁结构的2个磁极的相对力，有可能影响等离子体流向待被处理的基板。例如，通过增强回路22的外部磁极，将使得2个等离子体条从线性部分汇集到在源的前面的空间中，这使增加该位置处的部件处理速度成为可能。如果真空罩的壁是封闭的，其对于降低横向损耗是有用的。然而，如果加强回路21的内部磁极，2个等离子体条横向移动远离彼此。在某些情况下，这可能是一个优点，诸如，例如，因此可产生用于与圆柱表面相切的2个处理区域的圆柱形处理表面。

波喷射器是由其中心导体的端部在天线中的同轴导向器形成。

本发明提供了两种优化天线的形状的方式。

下面的数值实例关于等离子体源给出，等离子体源包括具有17mm内径的外部导体和具有8mm外径的内部导体的同轴波导。

在图6所示的第一实施方案中，首先在盘5中加宽中心导体1。这种盘具有比波导1、-2的开口更大的直径，其使得防止导向器的内部发生可能的沉积且使波尽可能接近ECR区域成为可能。实际上，其边缘位于距离ECR区域几毫米远处。盘具有几毫米的厚度，典型地在1至5mm范围内，且与源表面形成几毫米的缝，有利地为2至5mm之间。该盘顶部有杆6，该杆为中心导体1的延续。该杆具有范围在λ/8和λ/2之间的长度，λ是微波波长。确切长度取决于盘直径和ECR区域的形状。天线通过调节该杆的长度进行优化。例如，在具有25mm直径的盘的实施方案中，对于122.4mm波长(2.45GHz)，杆的最佳长度的范围在30和35mm之间。因此，不管其旋转对称性，该天线产生微波场与等离子体的良好耦合。杆的功能是将真空的阻抗与等离子体的阻抗相匹配。

在第二实施方案中，中心导体的端部在具有几毫米厚度的板7中，此时，板不具有旋转对称性而沿磁系统的最长轴拉长(图7A-7B)。横向上，该板延长超出波导的开口且其端部在距ECR区域几毫米处。其总长度范围在λ/4和λ之间。通过调节该长度，优化朝向等离子体的耦合是可能的。在其端部处，将板放置成与源的表面接触8以产生短路，从而避免其朝向相邻的板辐射微波。这样的短路促使波在该位置处在电场中产生节点。波反射并返回至喷射点。当反射波到达喷射点时，喷射点和返回地面之间的距离给定反射波的相位。通过修改该距离，使该相位适应通过等离子体反射的波的相位是可能的。“自然的”解决方案似乎是，当板的总长度是λ/2，即，对于2.45GHz的频率的61mm时，在该长度下，驻波在2个端部之间形成。然而，在实际情况下，已发现，这样的理论长度对于等离子体效率不是最佳的，且该长度必须增加约10％以获得满意的结果。

板宽度可沿着板的整个长度保持相同(图7A)或随着距离喷射点的距离增加而减小(图7B)。在优选的实施方案中，板宽度朝向其端部减小。例如，对于其中间是25mm宽的板，在其端部处的宽度将仅是10mm。

对于位于磁路的转弯内部的喷射器，修改该第二天线形状使得板仅在离开转弯的方向上拉长(图7C)。然后，从中央导向器的中心开始测量的该部分的长度范围在λ/8至λ/2之间。在转弯侧，板具有半原盘形状。在具有12.5mm半径的半圆盘的实施方案中，仍然对于122.4mm(2.45GHz)，拉长的部分测量为34mm。

在相同源上组合几种类型的天线以优化整体性能是可能的。组合由本发明提供的两种解决方案也是可能的，诸如，例如顶部有杆的拉长的板。

应参考图8和9，其在横截面视图中示出集成了根据本发明的设备的等离子体源的两个实施方案。

在图8中，处理腔室包括由冷却回路11中的水循环冷却的磁性金属体10。设置在主体中的壳体接收磁路。在本实施方案中，第一极化31的磁体的第一线21和围绕第一线并具有相反极化32的第二线22形成磁系统。在主体10的内部，两个磁体线21)和22由铁磁板23连接。主体10和磁系统通过屏蔽物12与等离子体分离。通过使其外部导体2插入到与其良好电接触的源主体中的几个同轴导向器，圆柱形孔被设置在用于微波喷射的主体10和薄板12中。每个导向器的中心导体以圆柱形的杆1的形式出现，相对于外部导体居中且延长超出屏蔽物。介电窗3放置在导向器的内部，距离开口几厘米远。该偏移位置保证由任何沉积且特别是由可阻止微波传递的导电沉积对电介质的低污染。电介质使产生真空处理罩的内部和外部之间的气密性成为可能。在该第一实施方案中，波导开口部覆盖有盘5，其防止沉积物渗入到波导中，且使将微波携带到ECR区域成为可能。盘5的顶部有杆6，其使优化与等离子体的耦合成为可能。

因此，在圆盘具有25mm直径和3mm厚度的实施方式中，对于2.45GHz的微波频率和每个天线90W的功率，杆的长度已经被调整在16和35mm之间。在每个配置中，观察到容易点燃。如果在匹配位于每个喷射线上的设备的阻抗的水平处不要求修改，则点燃被认为是容易的。

已对电流进行测量，该电流从等离子体中提取且通过放置在距离源8cm远的基板收集且获得20V的电压，如下表中显示的：

杆的长度	16mm	20mm	30mm	35mm
					测量的电流	1.37A	1.38A	1.41A	1.41A
易点燃	否	是	是	是

虽然，由于在每个配置中阻抗匹配已被优化以提供给等离子体优化的功率传输的事实，电流变化较小，但其足够显著以使确定在该配置中位于30和35mm之间的光程成为可能。

在图9所示的实施方案中，处理腔室的基本设计是相同的。不同之处在于天线。在该实施方案中，天线板7a和7b沿着喷射器轴线拉长。拉长7a相对于用于位于等离子体源一个端部处的天线的中心导体1是不对称的，在磁路的转弯的中心处，只朝向相对端拉长。拉长7b相对于用于位于磁路线性部分中的天线的中心导体是对称的。每个拉长部分通过短路8终止，避免天线朝向其相邻天线辐射。在本实施方案中，板的宽度随着距中心导体1的距离的增加而减小，且朝向地面回路。

这种配置已首先用天线测试，其接地回路和波导的中心导体之间的距离在31至32mm之间，并因此接近λ/4(30.6mm)。这相对于第一实施方案，已提供了约3％的电流增加。当该距离采用34mm时，电流增加额外的3％，并因此相对于第一实施方案增加了6％。在两种情况下，板具有3mm的厚度。

本公开内容中充分体现了该优势。

Claims (9)

1.一种用于从气态介质通过电子回旋共振ECR产生沿轴线有延长的等离子体的设备，所述设备包括至少两个同轴波导(4)，每个同轴波导由中心导体(1)和外部导体(2)形成，以使微波进入处理腔室，其中，所述至少两个同轴波导与在一个方向上拉长的磁路(21-22)相结合，通过产生磁场包围所述至少两个同轴波导(4)的所述磁路能够达到接近所述至少两个同轴波导的ECR条件，其中，所述磁路具有接近所述至少两个同轴波导的相反极性(31-32)的两个磁极，以形成用于电子的磁阱，并且所述两个磁极中的第一磁极形成围绕所述至少两个同轴波导(4)的第一线，而所述两个磁极中的第二磁极形成围绕所述第一线的第二线。

2.如权利要求1所述的设备，其中，每个同轴波导的所述中心导体(1)设置有能够保护所述同轴波导的开口并表现为天线的配件。

3.如权利要求2所述的设备，其中所述中心导体(1)具有直径比所述同轴波导(4)的所述开口更大的同心盘(5)以保护所述同轴波导的内侧，所述同心盘(5)被定位成接近ECR区域，且顶部有与所述中心导体(1)同轴对齐布置的杆(6)。

4.如权利要求2所述的设备，其中所述中心导体的端部在沿着所述磁路的最长轴线拉长的板(7)中，至少所述板的端部之一设置有配件(8)以放置成与源的表面接触，以便产生短路，所述板(7)的宽度大于所述同轴波导(4)的所述开口。

5.如权利要求4所述的设备，其中，所述板(7)的宽度沿所述板的整个长度恒定。

6.如权利要求4所述的设备，其中，所述板(7)的宽度随着距离所述中心导体(1)的距离的增加而减小，且关于所述中心导体(1)的至少一个侧面减小。

7.如权利要求1所述的设备，其中，所述处理腔室包括带冷却回路(11)的主体(10)，所述主体(10)包括用于所述磁路的装配的壳体，所述磁路包括根据第一极化的磁体的第一线和根据相反极化且围绕所述第一线的磁体的第二线，所述磁路围绕装配在横跨所述主体(10)的厚度形成的孔中的所述至少两个同轴波导(4)，磁体的所述第一线和所述第二线通过铁磁板(23)连接，所述主体和所述磁路通过屏蔽物(12)与所述等离子体隔开。

8.如权利要求7所述的设备，其中，所述中心导体(1)包括相对于以良好的电接触插入到所述主体(10)内的所述外部导体居中的圆柱形的杆，介电窗(3)被置于所述同轴波导内部且在所述同轴波导的开口下方，所述开口被顶部有用作天线的杆的盘所覆盖。

9.如权利要求7所述的设备，其中，所述中心导体包括相对于通过形成良好的电接触的方式插入到所述主体(10)内的所述外部导体居中的圆柱形的杆，介电窗(3)被置于所述同轴波导内部且在所述同轴波导的开口下方，所述开口被沿着喷射器的轴线的拉长的板(7)所覆盖，所述拉长相对于用于位于所述磁路的圆形端部处的波导的所述中心导体是非对称的，所述拉长仅在相对端部的方向上，且所述拉长相对于用于位于所述磁路的线性部分中的波导的所述中心导体对称，每个拉长部分设置有用作短路的配件(8)。