CN105101604A - 电子回旋共振磁性模块与电子回旋共振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电子回旋共振磁性模块与电子回旋共振装置，其中该磁性模块具有多层导磁环体以及多个磁柱，每一个导磁环体具有一内环壁与一外环壁，每一个导磁环体内开设有多个径向孔。该多个磁柱，其分别嵌入于该多层导磁环体所具有的径向孔内，其中，相邻的两导磁环体所具有的磁柱的磁场方向相反。利用该磁性模块的电子回旋共振装置能在高真空下运作以利于基材上形成单原子层的镀膜。

Description

电子回旋共振磁性模块与电子回旋共振装置

本申请是2010年7月16日提交的、申请号为201010232871.8、发明名称为“电子回旋共振磁性模块与电子回旋共振装置”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种等离子体产生技术，尤其是涉及一种可以在高真空环境产生高密度等离子体的一种电子回旋共振磁性模块与电子回旋共振装置。

背景技术

半导体元件越做越轻薄短小，化学气相沉积(chemicalvapordeposition,CVD)镀层已迈向单原子层，为得良好的单原子镀层，必须仰赖高密度等离子体设备在高真空环境下镀膜。由于传统电子回旋共振化学气相沉积(electroncyclotronresonancechemicalvapordeposition,ECR-CVD)机台，使用电磁铁系统，因此需施加高电流及大量冷却水做散热。

如图1所示，该图为现有的哈勒巴赫(Halbach)磁极示意图。哈勒巴赫式的环形磁铁1可以产生磁场，但必须固定由数组如图1中区域10所含有的数个磁铁组合而成的环形磁铁1，哈勒巴赫永久磁场无法达到9x10^-5托尔(torr)环境下使用低瓦数微波点燃等离子体。

另外，现有技术中，如专利号WO99/39860揭露一种使用大型永久磁铁外加软铁导磁的设计，通过软铁辅助永久磁铁拥有更广且均匀的磁域分布，进而促进电子回旋共振的效果。此外，又如美国专利US.Pat.No.4,778,561，其通过二组磁场组合获得均匀等离子体分布。另外又如美国专利US.Pat.No.5,370,765其揭露一种电子回旋共振等离子体装置，该技术腔体壁布满磁铁，腔体壁的强磁场可避免电子碰壁损失，因而获得高密度等离子体。其他如美国专利US.Pat.No.4,987,346则揭露可产产生高密度(正或负或中性)等离子体束，其是由一电磁铁及二个永久磁铁环所构成的磁场结构，同时外加一软铁于永久磁铁外侧，用以增加磁场强度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电子回旋共振磁性模块与电子回旋共振装置，其以永久磁铁做为磁场源，并以微波作为供应电场，真空环境在9x10^-5托尔下，结合875Gauss磁场以及2.45GHz与功率在70W的电场产生电子回旋共振。本发明的磁性模块在运作中不需额外通入电流及冷却水，且又能在高真空环境下使用低的功率瓦数镀出单原子层膜。

本发明的再一目的在于提供一种电子回旋共振磁性模块与电子回旋共振装置，其以永久磁铁组外加软铁作为磁场，以增加扩充性。此外，通过多层磁铁的配置使腔体拥有高磁场分布，此有利于减少因电子碰撞腔体壁的损失，对于提高等离子体密度有非常大的帮助。

为达上述目的在，在一实施例中，本发明提供一种电子回旋共振磁性模块，包括:多层导磁环体，每一个导磁环体具有一内环壁与一外环壁，每一个导磁环体内开设有多个径向孔；以及多个磁柱，其分别嵌入于该多层导磁环体所具有的径向孔内，其中，相邻的两导磁环体内的磁柱，所具有的磁场方向相反。

在另一实施例中，本发明还提供一种电子回旋共振装置，包括:一腔体；一波导模块，其与该腔体相耦接；一石英罩，其设置于该腔体内；一磁性模块，其环设于该腔体的外围，该磁性模块具有多层导磁环体以及多个磁柱，该多层导磁环体，每一个导磁环体具有一内环壁与一外环壁，每一个导磁环体内开设有多个径向孔，该多个磁柱，其分别嵌入于该多层导磁环体所具有的径向孔内，其中，相邻的两导磁环体内的磁柱，所具有的磁场方向相反；以及一承载台，其设置于该腔体内。

在另一实施例中，该多层环体的外围还可以套设一导磁套筒。

附图说明

图1为现有的哈勒巴赫(Halbach)磁极示意图；

图2为本发明的电子回旋共振磁性模块第一实施例的立体示意图；

图3A-1至图3D为本发明的磁柱截面示意图；

图4为本发明磁性模块第一实施例产生磁场示意图；

图5A与图5B为本发明的磁性模块第二实施例示意图；

图6为磁性模块第二实施例所产生的磁场示意图；

图7为本发明的磁性模块第三实施例示意图；

图8为本发明的磁性模块第三实施例产生磁场示意图；

图9为本发明的电子回旋共振装置示意图。

主要元件符号说明

1-磁性模块

10-区域

2-磁性模块

20a、20b-导磁环体

200-内环壁

201-外环壁

202-平面

203-径向孔

21、22-磁柱

23-支撑结构

24-导磁套筒

25-磁柱

3-电子回旋共振装置

30-腔体

300-容置空间

31-波导模块

32-石英罩

33-承载台

90、91-磁场方向

92、93、94-875高斯磁场区域

95-基材

96-微波

97-单原子层

具体实施方式

为使贵审查委员能对本发明的特征、目的及功能有更进一步的认知与了解，下文特将本发明的装置的相关细部结构以及设计的理念原由进行说明，以使得审查委员可以了解本发明的特点，详细说明陈述如下：

请参阅图2所示，该图为本发明的电子回旋共振磁性模块第一实施例的立体示意图。该磁性模块2包括两导磁环体20a与20b以及多个磁柱21与22。该两层导磁环体20a与20b呈现垂直式的同心轴配置。由于导磁环体20a与导磁环体20b结构相同，因此以下以导磁环体20a来作说明。导磁环体20a分别具有一内环壁200与一外环壁201。外环壁201与内环壁200的两侧分别连接有一平面202(图中仅显示上平面)。导磁环体20a内且位于两平面202之间，开设有多个径向孔203。本实施例中，每一个径向孔203的两端开口分别位于该内环壁200与该外环壁201上。要说明的是，该径向孔203并不一定要有两端开口，也可以仅有一端为开口，另一端为封闭。至于一端开口时，该开口可以位于该内环壁200或者是外环壁201上。此外，在本实施例中，相邻的导磁环体20a与20b间以一支撑结构23作为支撑，使得相邻的导磁环体20a与20b间相距一距离。本实施例中，该支撑结构23由多个支撑柱来实施，但并不以此为限，熟悉此项技术的人可以根据需求而设计不同的支撑方式。

该多个磁柱21与22，其分别具有一磁场方向90与91。每一磁柱21与22分别嵌入于该两层导磁环体20a与20b所具有的径向孔203内，其中，对于每一个导磁环体20a或20b而言，其中导磁环体20a中所具有的磁柱21的磁场方向90均相同，导磁环体20b中全部的磁柱22具有的磁场方向91均相同，而上下相邻的两导磁环体20a与20b内的磁柱21与22所具有的磁场方向90与91相反。所谓磁场方向相同，指对每一导磁环体20a或20b而言，其内所有的磁柱21或22的N极或S极的位置都在外环壁201或者是设置在内环壁200上，使得每一个磁柱的磁场方向都是一致性地由外环壁至内环壁或者是由内环壁至外环壁。例如：在图2中，导磁环体20a的磁柱21在外环壁201的位置上的磁场皆为N极，而导磁环体20b内的磁柱22在外环壁201的位置上的磁场皆为S极。当然亦可，导磁环体20a的磁柱21在外环壁201的位置上的磁场皆为S极，而导磁环体20b内的磁柱22在外环壁201的位置上的磁场皆为N极。另外，在本实施例中，该磁柱21与22为一永久磁铁，其可以为钕铁硼(Nd-Fe-B)永久磁铁，但不以此为限。此外，虽然在本实施例中，该导磁环体20a与20b的外径为15厘米，该磁柱21与22的截面外形为圆形，且其直径为2厘米，长度为3厘米。另外，该磁柱的截面，并不以圆形为限制，例如图3A-1至图3D所示的多边形、椭圆形、具有曲率的轮廓或者是具有曲度以及线性侧边组合的轮廓等都可以实施。

请参阅图4所示，该图为本发明磁性模块第一实施例产生磁场示意图。利用第一实施例的磁性模块2，亦即导磁环体20a与20b的外径为15厘米，该磁柱21与22的截面外形为圆形，且其直径为2厘米，长度为3厘米，每一个磁柱充磁至5000高斯，所产生的磁场可以形成高达875高斯(Gauss)的磁场，如区域92所示。另外，如图5A与图5B所示，该图为本发明的磁性模块第二实施例示意图。本实施例主要是为了加强磁场的强度与均匀度，在该两层导磁环体20a与20b的外围对应该外环壁201的位置上，更套设有一导磁套筒24。该导磁套筒24的材料为软铁或者是硅钢等材质，但不以此为限制，本实施例中，该导磁套筒24为软铁所形成的套筒。如图6所示，该图为磁性模块第二实施例所产生的磁场示意图。利用垂直式的环形磁场设计，并在导磁环体20a与20b外环加一导磁套筒，如此可使得导磁环体20a与20b拥有高磁场，而且可以反弹电子与增加电子寿命。本实施中，导磁环体20a与20b的外径为15厘米，该磁柱21与22的截面外形为圆形，且其直径为2厘米，长度为3厘米，每一个磁柱充磁至5000高斯，使得在内环壁200所围成的区域内有较广区域93，拥有875高斯的磁场强度。

除了两层的导磁环体的配置外，如图7所示，该图为本发明的磁性模块第三实施例示意图。在本实施例中，所用的导磁环体20a、20b与20c为三个，其相互垂直排列，相邻的两导磁环体20a与20b或20b与20c间利用支撑结构23将两导磁环体间撑开一距离。每一个导磁环体20a、20b与20c内具有多个磁柱21、22与25，每一个磁柱21、22与25具有一永久磁场，相邻的两导磁环体20a与20b或20b与20c内所具有的磁柱的磁场方向相反。在该多个导磁环体20a、20b与20c外围套设有导磁套筒24，其材质如前所述，在此不作赘述。要说明的是，本发明的导磁环体的数量可为多个，奇数或偶数皆可实施。如图8所示，该图为本发明磁性模块第三实施例产生磁场示意图。同样地，本实施例的结构，亦即导磁环体20a、20b与20c的外径为15厘米，该磁柱21与22的截面外形为圆形，且其直径为2厘米，长度为3厘米，每一个磁柱充磁至5000高斯，可使得导磁环体拥有高磁场，而且可以反弹电子与增加电子寿命。此外，在内环壁200所围成的区域内，如区域94所涵盖的范围，拥有875高斯的磁场强度。

请参阅图9所示，该图为本发明的电子回旋共振装置示意图。在本实施例所示的电子回旋共振装置是属于横向电场(transverseelectricfield)式的电子回旋共振装置。该电子回旋共震装置3，包括一腔体30、一导波模块31、一石英罩32、一磁性模块2以及一承载台33。该腔体30，其内具有一容置空间300。该波导模块31，其与该腔体30相耦接，该波导模块31用以传导微波96至该腔体30内，本实施例中该波导模块31为横向电场的波导模块，但不以此为限，例如：也可以为横向磁场(transversemagneticfield)的波导模块。该波导模块31所传导的微波频率为2.45GHz，以及功率大于1瓦的微波。该石英罩32，其设置于该腔体30内。该磁性模块2，其环设于该腔体30的外围。该磁性模块2可以为如图2、图5A或者是如图7的结构，其如前所述，在此不作赘述。该承载台33，其设置于该腔体30内，该承载台33提供承载一基材95，该承载台33于该腔体30内进行上下的垂直运动，以调整该基材95的位置。

由于该磁性模块2使该腔体30内所形成的电子回旋共振有效区域广，在大气压力5x10^-5托尔(torr)以上，本实施例为1x10^-4托尔(torr)以及磁场强度为875高斯的环境下，利用频率2.45GHz与一定的微波功率使电子回旋共振而产生高等离子体密度，进而可以在基材95上形成一单原子层97的镀膜。本实施例中，该单原子层97为石墨烯，但不以此为限制。此外，由于本发明的磁性模块2所具有的磁铁是小型磁铁组合而成，因此扩充容易。综合上述，本发明的电子回旋共振装置的磁性模块在运作中不需额外通入电流及冷却水，且又能在高真空环境下使用低的功率瓦数镀上单原子层膜。此外，该电子回旋共振装置，通过多层磁铁的配置使腔体拥有高磁场分布，此有利于减少因电子碰撞腔体壁的损失，对于提高等离子体密度有非常大的帮助，而且不用再如昔用技术利用外加的电磁铁产生拘束电子的电场，因此可以节省成本。

以上所述者，仅为本发明的实施例，当不能以之限制本发明范围。即大凡依本发明权利要求所做的均等变化及修饰，仍将不失本发明的要义所在，也不脱离本发明的精神和范围，故都应视为本发明的进一步实施状况。

Claims (24)

1.一种电子回旋共振磁性模块，包括:

多层导磁环体，每一个导磁环体具有内环壁与外环壁，每一个导磁环体内开设有多个径向孔；以及多个磁柱，其分别嵌入于该多层导磁环体所具有的径向孔内，其中，相邻的两导磁环体内的磁柱，所具有的磁场方向相反；每一个径向孔贯通该内环壁与该外环壁；在同一导磁环体内的全部磁柱，所具有的磁场方向均相同。

2.如权利要求1所述的电子回旋共振磁性模块，其中该多层导磁环体的外围还设置有导磁套筒。

3.如权利要求2所述的电子回旋共振磁性模块，其中该导磁套筒的材质为硅钢或者是软铁。

4.如权利要求2所述的电子回旋共振磁性模块，其产生至少875高斯的磁场。

5.如权利要求1所述的电子回旋共振磁性模块，其中该多层的数量为偶数。

6.如权利要求1所述的电子回旋共振磁性模块，其中该多层的数量为奇数。

7.如权利要求1所述的电子回旋共振磁性模块，相邻的导磁环体间通过一支撑结构而保持有一间距。

8.如权利要求1所述的电子回旋共振磁性模块，其中该磁柱的截面为圆形、椭圆、多边形、具有曲度的截面轮廓或者是具有曲度以及线性侧边组合的轮廓。

9.如权利要求1所述的电子回旋共振磁性模块，其中导磁环体外径为15厘米，磁柱长度为3厘米，直径为2厘米，每一个磁柱充磁至5000高斯。

10.一种电子回旋共振装置，包括:

腔体；

波导模块，其与该腔体相耦接；

石英罩，其设置于该腔体内；

磁性模块，其环设于该腔体的外围，该磁性模块具有多层导磁环体以及多个磁柱，该多层导磁环体，每一个导磁环体具有内环壁与外环壁，每一个导磁环体内开设有多个径向孔，该多个磁柱，其分别嵌入于该多层导磁环体所具有的径向孔内，其中，相邻的两导磁环体内的磁柱，所具有的磁场方向相反；以及

承载台，其设置于该腔体内。

11.如权利要求10所述的电子回旋共振装置，其中该多层导磁环体的外围还设置有导磁套筒。

12.如权利要求11所述的电子回旋共振装置，其中该导磁套筒的材质为硅钢或者是软铁。

13.如权利要求11所述的电子回旋共振装置，其中该磁性模块产生至少875高斯的磁场。

14.如权利要求10所述的电子回旋共振装置，其为横向电场电子回旋共振装置。

15.如权利要求10所述的电子回旋共振装置，其为横向磁场电子回旋共振装置。

16.如权利要求10所述的电子回旋共振装置，其于大气压力5x10^-5托尔以上及一定的微波功率下产生等离子体以于设置于该承载台上的基材形成大面积的镀膜。

17.如权利要求16所述的电子回旋共振装置，其中该镀膜层为石墨烯。

18.如权利要求10所述的电子回旋共振装置，其中该多层的数量为偶数。

19.如权利要求10所述的电子回旋共振装置，其中该多层的数量为奇数。

20.如权利要求10所述的电子回旋共振装置，每一个径向孔贯通该内环壁与该外环壁。

21.如权利要求10所述的电子回旋共振装置，相邻的导磁环体间通过一支撑结构而保持有一间距。

22.如权利要求10所述的电子回旋共振装置，其中该磁柱的截面为圆形、椭圆、多边形、具有曲度的截面轮廓或者是具有曲度以及线性侧边组合的轮廓。

23.如权利要求10所述的电子回旋共振装置，其中在同一导磁环体内的全部磁柱，所具有的磁场方向均相同。

24.如权利要求10所述的电子回旋共振装置，其中导磁环体外径为15厘米，磁柱长度为3厘米，直径为2厘米，每一个磁柱充磁至5000高斯。