CN104797072B - 一种电感耦合式射频等离子体源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电感耦合式射频等离子体源，包括反应气体导入机构、等离子体发生机构、水冷机构、屏蔽机构和支撑连接机构，所述反应气体导入机构、等离子体发生机构、水冷机构和屏蔽机构通过支撑连接机构连接。该装置中的电感线圈在射频电流的驱动下，激发变化的磁场感生回旋电场。电子在有旋电场的加速下作回旋运动，与反应源气体分子碰撞将其电离。由于电子的回旋运动增加了与气体分子的碰撞，射频等离子体源可产生密度较高的等离子体，而且设备结构简单，能独立控制离子能量和等离子体密度。

Description

一种电感耦合式射频等离子体源

技术领域

本发明涉及超高真空设备领域，特别是一种电感耦合式射频等离子体源。

背景技术

等离子体已广泛应用于各种领域，如在半导体集成电路制造方面，不同材料薄膜的生长及电路的蚀刻皆普遍由等离子体技术完成。在科学研究方面等离子体更已成为重要的工具，如纳米钛管的生长、微机电的研发等等。等离子体的研究与应用都离不开其产生设备，因此等离子体源的研发具有重要意义。

目前国内外光学薄膜制备普遍采用等离子体辅助镀膜技术，该项技术不仅具有节能、环保的特点，而且在大规模制造各种高品质的光学薄膜上更具有优势。在薄膜沉积过程中通过离子轰击,可有效提高薄膜和基片之间的结合力，使薄膜结构更加致密，可进一步提高薄膜的光学性能和机械性能。此外，在薄膜沉积过程中通入所需反应气体，反应气体原子在离子源中离化后，可沉积形成一定化学配比的薄膜。目前国内外利用等离子体辅助沉积光学薄膜技术，在大规模生产红外、紫外波段窄带滤光片等高精度光学薄膜元件中，得到了成功应用。

与传统镀膜方法相比，等离子体镀膜主要是运用了等离子体技术。等离子体与普通气体相比，特别是大家熟知的理想气体模型相比，既有联系，又有很大的区别。它保留了传统技术沉积速率高、面积大的优点，又克服了薄膜结构疏松、性能不稳定的缺陷，是有望取代传统技术的新一代光学薄膜制备技术。

如图1所示：在传统的电容藕合平板等离子体源中，等离子体鞘层电压可以达到几百伏甚至几千伏，当离子通过鞘层时，会被鞘层电压加速，获得很高的能量，进行工艺加工时，容易引起器件损伤，如原子位移，栅氧损失甚至阈值电压偏移和栅极泄漏，这主要是因为在平行板放电中，等离子体的产生和晶片的偏置是藕合的：即为了提高等离子密度而采用高的输入功率将同时增加鞘层的自偏压。因此就迫切需要既能消除等离子体产生和衬底偏置的藕合作用，又能获得较低的离子能量的较大面积均匀的高密度等离子体源。

传统的光学刻蚀方法由于受到光波长的限制，目前的刻蚀精度己逼近理论极限，急需研发新一代的刻蚀工艺。另一方面，大尺寸平板显示器的TFT驱动电路也需要大而积的均匀Si薄膜沉积工艺。电感藕合等离子体(ICP)作为新一代的低温高密度等离子体源具有较高的等离子体密度和大而积均匀性，应用于大尺寸基片的精细刻蚀工艺时具有较高的刻蚀选择性，无需经历湿法刻蚀的烦琐步骤，且工艺可控，己开始在集成电路的刻蚀中得到应用。此外，ICP大而积均匀的高密度等离子体和较低的电子温度也适合于沉积高质的薄膜，且沉积速率高。

我国目前没有国产的专门独立的电感耦合式等离子体源，这不仅严重束缚了我国自然科学研究的发展，也使我国的科学研究受制于国外，难有原创性科研成果。拥有我国自主知识产权的专门的射频等离子体源迫不及待。

发明内容

根据现有技术中存在的问题，本发明公开了种电感耦合式射频等离子体源，包括反应气体导入机构、等离子体发生机构、水冷机构、屏蔽机构和支撑连接机构，所述反应气体导入机构、等离子体发生机构、水冷机构和屏蔽机构通过支撑连接机构连接；

所述支撑连接机构包括法兰组件、以及穿过法兰组件的双层管件；

所述反应气体导入机构与法兰组件相连接、包括控制导入气体的开启与关闭的角阀，所述角阀的一端与导气管接头相连接，所述角阀的另一端与三通连接件相连接，所述三通连接件与容纳反应气体的双层管件相连接；

所述等离子体发生机构包括电极、导波片、绝缘管、电感线圈和真空介电窗，所述电极设置在法兰组件上，所述电感线圈缠绕于真空介电窗上，所述导波片与电感线圈相连接，所述绝缘管套接在导波片上；

所述水冷机构包括设置在法兰组件

上的进水管接头、冷水管组件和出水管接头，所述进水管接头、冷水管组件和出水管接头形成一闭合回路。

所述反应气体导入机构还包括密封圈和密封件，所述双层管件包括同轴设置的双层管内管和双层管外管，所述双层管件与双层管接头相连接，所述密封圈和密封件放置于密封螺母与双层管接头之间，所述密封螺母、密封圈、密封件、双层管接头将真空介电窗密封。

所述冷水管组件包括第一水管、沿双层管件设置的第二水管、在法兰组件上方盘旋设置的第三水管、放置于双层管件之间的第四水管，所述第一水管焊接在法兰组件上一端与进水管接头相连通另一端与焊接在法兰组件另一侧的电感线圈相连通，所述电感线圈与焊接在法兰上的第三水管的一端相连通，所述第三水管的另一端焊接在双层管外管上与第四水管相连通，所述第四水管延伸到双层管件的前端，所述第二水冷管一端焊接在双层管外管上一端与第四水管相连通另一端焊在在法兰组件上与出水管接头相通。

所述第四水管焊接于双层管内管和双层管外管之间的空间内、与双层管外管相连接、延伸至双层管件的底部。

该装置还包括备用机构，所述备用机构与法兰组件相连接、包括法兰和盲板法兰，所述法兰与备用管相连接，所述盲板法兰与法兰相连接。

该装置还包括观察机构，所述观察机构包括观察窗，所述观察窗与三通连接件相连接。

该装置还包括将反应状态下产生的电场、磁场进行屏蔽隔离的屏蔽机构，所述屏蔽机构包括屏蔽盖和屏蔽罩，所述屏蔽罩设置在等离子体发生机构的外侧与第一法兰相连接。

所述支撑连接机构还包括第一支撑块和第二支撑块，所述双层管件和电感线圈穿过第二支撑块设置，所述电感线圈和真空介电窗穿过第一支撑块设置，所述真空介电窗穿过电感线圈设置。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种电感耦合式射频等离子体源，该装置中的电感线圈在射频电流的驱动下，激发变化的磁场感生回旋电场。电子在有旋电场的加速下作回旋运动，与反应源气体分子碰撞将其电离。由于电子的回旋运动增加了与气体分子的碰撞，射频等离子体源可产生密度较高的等离子体，而且设备结构简单，能独立控制离子能量和等离子体密度。由于其结构简单，不仅便于生产，而且成本非常低廉适于广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中现有等离子体源的示意图；

图2为本发明中一种电感耦合式射频等离子体源整体的结构示意图；

图3本发明中水冷机构的结构示意图；

图4本发明中一种电感耦合式射频等离子体源整体的剖面图；

图5本发明中等离子体发生机构的结构示意图；

图6本发明中双层管件中密封结构的结构示意图；

图7本发明中电极连接处的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

一种电感耦合式射频等离子体源，具体技术方案是：包括反应气体导入机构、等离子体发生机构、水冷机构、屏蔽机构和支撑连接机构，所述反应气体导入机构、等离子体发生机构、水冷机构和屏蔽机构通过支撑连接机构相连接。

所述支撑连接机构包括法兰组件19-17、第一法兰14、第一支撑块5、第二支撑块8以及穿过法兰组件19-17和第一法兰14的双层管件9-11。法兰组件19-17包括两个对接的法兰I 17和法兰II 19。电极16、备用管20、第一管水21、第二水管24、第三水管31、电感线圈3、双层管件9-11均焊接在所述法兰组件19-17上。法兰组件19-17对其起支撑作用，法兰I 17和法兰II 19通过螺栓连接、垫圈密封，法兰连接管15一端焊接在法兰17上，另一段焊接在所述第一法兰14上；第一支撑块5被电感线圈3穿过，同时还被真空介电窗4穿过，对真空介电窗4起支撑作用；第二支撑块8被电感线圈3穿过，同时也被双层管件9-11穿过，对双层管件9-11起支撑作用。

如图2所示，所述反应气体导入机构包括导入气体的导气管接头27、第六法兰26、角阀25、三通连接件29、第五法兰30、双层管内管9、双层管外管11、双层管连接片33、双层管接头7；密封圈34、密封件35、密封螺母6。所述导气管接头27焊接在第六法兰26内孔上，第六法兰26与所述角阀25侧面的法兰通过螺栓连接、垫圈密封，角阀25可控制导入气体的开启与关闭，并可粗略的调节导入气体的流量。角阀25下方的法兰与所述三通连接件29上方的法兰通过螺栓连接、垫圈密封。三通连接件29一侧的法兰与焊接在所述双层管内管9、双层管外管11上的第五法兰30通过螺栓连接、垫圈密封；双层管内管9、双层管外管11保持同轴关系与所述双层管连接片33焊接成局部密封的管。如图6所示：双层管内管9导入反应气体，双层管外管11与双层管内管9之间的空间导入循环冷水。在双层管连接片33上焊接所述双层管接头7；双层管接头7与密封圈34、密封件35、密封螺母6通过螺纹配合连接将双层管内管9、双层管外管11与真空介电窗4密封；反应气体从导气管接头27导入到真空介电窗内。

如图5和图7所示：等离子体发生机构包括电极16、导波片13、绝缘管12、连接螺钉36、电感线圈3、真空介电窗4；所述连接螺钉36穿过所述导波片13一侧的通孔焊接在所述电感线圈3外端上；所述电极16焊接在法兰组件19-17上，与连接铜柱32连接，与射频电源匹配器连接，射频电源发射出射频电流；射频电流通过所述导波片13、连接螺钉36传送到所述电感线圈3，电感线圈3均匀缠绕于所述真空介电窗4；所述绝缘管12套在导波片13上，可防止导波片上的射频电流与周围零件产生放电现象，起绝缘作用，电感线圈3在射频电流的驱动下激发变化的磁场产生感生电场，真空介电窗4中的电子在有旋电场的加速下作回旋运动，与反应源气体分子碰撞将其电离为等离子体。

如图3和图4所示，水冷机构包括设置在法兰组件19-17上的进水管接头18.1、冷水管组件20-1和出水管接头18.2，所述进水管接头18.1、冷水管组件20-1和出水管接头18.2形成一闭合回路。所述冷水管组件20-1包括第一水管21、沿双层管件9-11设置的第二水管24、在法兰组件19-17上方盘旋设置的第三水管31、放置于双层管件9-11之间的第四水管10，所述第一水管21焊接在法兰组件19-17上一端与进水管接头18.1相连通另一端与焊接在法兰组件19-17另一侧的电感线圈3相连通，所述电感线圈3与焊接在法兰19-17上的第三水管31相通，所述第三水管31的另一端焊接在双层管外管9-11上与第四水管10相连通，所述第四水管10延伸到双层管件9-11的前端，所述第二水冷管24一端焊接在双层管外管11上一端与第四水管10相连通另一端焊在在法兰组件19-17上与出水管接头18.2相通。实现冷却水的循环，对反应发生装置起到冷却控温作用，使控制装置的温度不至于过高，起冷却控温作用。重点是电感线圈3外部通电，内部走水的设计。

第四水管10焊接于双层管内管9和双层管外管11之间的空间内、与双层管外管11相连接、延伸至双层管件9-11的底部。

进一步的，为了满足发生特殊情况的需要，本发明在法兰组件19-17上焊接了备用机构，所述备用机构与法兰组件19-17相连接、包括法兰22和盲板法兰23，法兰22与备用管20相连接，盲板法兰23与法兰22相连接。

进一步的，该装置还包括观察机构，所述观察机构包括观察窗28，观察窗28与三通连接件29相连接。

该装置还包括将反应状态下产生的电场、磁场进行屏蔽隔离的屏蔽机构，所述屏蔽机构包括屏蔽盖1、屏蔽罩2、第一法兰14和法兰连接管15，所述屏蔽罩2设置在等离子体反应机构的外侧与第一法兰14相连接。所述法兰连接管15将第一法兰14和双层管件9-11相连接。

所述支撑连接机构还包括第一支撑块5和第二支撑块8，所述双层管件9-11和电感线圈3穿过第二支撑块8设置，所述电感线圈3和真空介电窗4穿过第一支撑块5设置。

本发明的反应发生部分会产生磁场、电场。屏蔽机构能有效地将产生的磁场、电场屏蔽，以免对真空腔室的真空度产生干扰，同时，在装卸过程中，还可以对本发明内部零件起到保护作用。发明的等离子体的均匀性好，能实现比ECR更大面积的薄膜沉积和基片处理，本身离子束出来就是等离子体，无需中和电子的设备，近中性的等离子束能避免基面的电荷累积效应，无需昂贵的后中和处理，本发明适用于超高真空环境，其零件选用材质完全适合超高真空使用，安装法兰采取刀口法兰构造，加上其特有的水冷温控机构，可承受250℃的高温烘烤，使得设备在使用时能保持真空环境的真空度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电感耦合式射频等离子体源，其特征在于：包括反应气体导入机构、等离子体发生机构、水冷机构、屏蔽机构和支撑连接机构，所述反应气体导入机构、等离子体发生机构、水冷机构和屏蔽机构通过支撑连接机构连接；

所述支撑连接机构包括法兰组件(19-17)、以及穿过法兰组件(19-17)的双层管件(9-11)；

所述反应气体导入机构与法兰组件(19-17)相连接、包括控制导入气体的开启与关闭的角阀(25)，所述角阀(25)的一端与导气管接头(27)相连接，所述角阀(25)的另一端与三通连接件(29)相连接，所述三通连接件(29)与容纳反应气体的双层管件(9-11)相连接；

所述等离子体发生机构包括电极(16)、导波片(13)、绝缘管(12)、电感线圈(3)和真空介电窗(4)，所述电极(16)设置在法兰组件(19-17)上，所述电感线圈(3)缠绕于真空介电窗(4)上，所述导波片(13)与电感线圈(3)相连接，所述绝缘管(12)套接在导波片(13)上；

所述水冷机构包括设置在法兰组件(19-17)上的进水管接头(18.1)、冷水管组件(20-1)和出水管接头(18.2)，所述进水管接头(18.1)、冷水管组件(20-1)和出水管接头(18.2)形成一闭合回路；

所述电感线圈在射频电流的驱动下，激发变化的磁场感生回旋电场，电子在有旋电场的加速下作回旋运动，与反应源气体分子碰撞将其电离；

所述冷水管组件(20-1)包括第一水管(21)、沿双层管件(9-11)设置的第二水管(24)、在法兰组件(19-17)上方盘旋设置的第三水管(31)、放置于双层管件(9-11)之间的第四水管(10)，所述第一水管(21)焊接在法兰组件(19-17)上一端与进水管接头(18.1)相连通另一端与焊接在法兰组件(19-17)另一侧的电感线圈(3)相连通，所述电感线圈(3)与焊接在法兰组件(19-17)上的第三水管(31)的一端相连通，所述第三水管(31)的另一端焊接在双层管外管(11)上与第四水管(10)相连通，所述第四水管(10)延伸到双层管件(9-11)的前端，所述第二水管(24)一端焊接在双层管外管(11)上一端与第四水管(10)相连通另一端焊接在法兰组件(19-17)上与出水管接头(18.2)相通；所述第四水管(10)焊接于双层管内管(9)和双层管外管(11)之间的空间内、与双层管外管(11)相连接、延伸至双层管件(9-11)的底部；

所述反应气体导入机构还包括密封圈(34)和密封件(35)，所述双层管件(9-11)包括同轴设置的双层管内管(9)和双层管外管(11)，所述双层管件(9-11)与双层管接头(7)相连接，所述密封圈(34)和密封件(35)放置于密封螺母(6)与双层管接头(7)之间，所述密封螺母(6)、密封圈(34)、密封件(35)、双层管接头(7)将真空介电窗(4)密封。

2.根据权利要求1所述的一种电感耦合式射频等离子体源，其特征在于：所述电感耦合式射频等离子体源还包括备用机构，所述备用机构与法兰组件(19-17)相连接、所述备用机构包括法兰(22)和盲板法兰(23)，所述法兰(22)与备用管(20)相连接，所述盲板法兰(23)与法兰(22)相连接。

3.根据权利要求1所述的一种电感耦合式射频等离子体源，其特征在于：所述电感耦合式射频等离子体源还包括观察机构，所述观察机构包括观察窗(28)，所述观察窗(28)与三通连接件(29)相连接。

4.根据权利要求1所述的一种电感耦合式射频等离子体源，其特征在于：所述电感耦合式射频等离子体源还包括将反应状态下产生的电场、磁场进行屏蔽隔离的屏蔽机构，所述屏蔽机构包括屏蔽盖(1)和屏蔽罩(2)，所述屏蔽罩(2)设置在等离子体发生机构的外侧与第一法兰(14)相连接。

5.根据权利要求1所述的一种电感耦合式射频等离子体源，其特征在于：所述支撑连接机构还包括第一支撑块(5)和第二支撑块(8)，所述双层管件(9-11)和电感线圈(3)穿过第二支撑块(8)设置，所述电感线圈(3)和真空介电窗(4)穿过第一支撑块(5)设置，所述真空介电窗(4)穿过电感线圈(3)设置。