CN109119322B - 一种磁增强型等离子体源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁增强型等离子体源，包括盖板、缓冲腔室、磁增强模块和进气模块；盖板中含有中空的缓冲腔室，盖板和缓冲腔室的下表面通过气体分布板连接接地的真空腔室；气体分布板上分布出气单元；磁增强模块包括绝缘板与磁铁块，磁铁块和盖板之间通过所述绝缘板隔离；进气模块位于所述盖板的上方，进气模块包括至少一个位于其上表面的电极接口，电极接口中含有进气管路，进气管路贯穿所述电极接口、进气模块和盖板，通入缓冲腔室中。本发明提供的一种磁增强型等离子体源，可有效避免沉积物堵塞出气孔，提高反应气体的电离率，并能够延长等离子体源的使用寿命。

Description

一种磁增强型等离子体源

技术领域

本发明涉及等离子体技术，具体涉及一种磁增强型等离子体源。

背景技术

随着科技的进步，在太阳电池、液晶面板和半导体芯片制造过程中，应用到等离子体的技术越来越多，特别是等离子体刻蚀和等离子体镀膜技术。用于产生等离子体的核心部件为等离子体源。根据等离子体源形状的不同，可以将等离子体源分为点源、线性源和面性源，其中，点源指的是在一点或者多点处产生等离子体；线性源指的是在一维条状区域产生等离子；面性源指的是在一个二维平面区域产生等离子。通常所述的线性源与面性源只是在产生等离子体区域的长宽比例上加以区分，并没有严格的界限。

其中线性源和面性源可以通过加大尺寸来提高批处理量，所以更适合大规模量产设备的开发。现有技术中的面性等离子体源，与射频电源和匹配器相连接，然后再与接地的真空腔室形成容性耦合放电，从而将通入真空腔室的工艺气体等离子化。现有技术中面性等离子体源存在的问题是，对面性源本身的加工要求精度高，加工成本昂贵，由于面性源对应的真空腔室水平截面面积较大，与之配合使用的射频电源功率高，射频电源功率较高，就会容易形成局部高压放电，造成局部损伤，降低使用寿命。

现有技术的线性等离子体通常为微波线性等离子体源和容性耦合线性等离子源。微波线性等离子体源通过铜导管与石英管将微波引入反应腔室，微波将进入反应腔室的工艺气体等离子化，从而产生等离子体。微波线性等离子体源存在的问题是需要定期更换石英管，石英管的使用寿命在60-120小时之间，显著提高了设备的使用成本，缩短了设备的使用周期。容性耦合线性等离子源与射频电源及匹配器相连接，再与接地的真空腔室形成容性耦合放电，使通入真空腔室的工艺气体等离子化。上述两种线性等离子体源存在的共性问题是，在进行等离子体镀膜工艺时，容易产生沉积物堵塞气孔，气孔出气量不均匀等问题，从而影响镀膜质量和均匀性。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁增强型等离子体源，适用于线性等离子体源或者面性等离子体源，可有效避免沉积物堵塞出气孔，提高反应气体的电离率，并能够延长等离子体源的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种磁增强型等离子体源，包括盖板、缓冲腔室、磁增强模块和进气模块；所述盖板中含有中空的缓冲腔室，所述缓冲腔室的下表面与所述盖板的下表面齐平，且缓冲腔室除了下表面以外的面均被所述盖板包围，所述盖板和缓冲腔室的下表面通过气体分布板连接接地的真空腔室；所述气体分布板上分布出气单元；所述磁增强模块包括绝缘板与磁铁块，所述磁铁块安装在所述盖板的两侧，用于在真空腔室中产生水平方向的磁场，所述磁铁块和盖板之间通过所述绝缘板隔离；所述进气模块位于所述盖板的上方，且所述进气模块与所述盖板的中心点在垂直方向上位于一条直线上；所述进气模块包括至少一个位于其上表面的电极接口，所述电极接口的一端通过匹配器与射频电源连接，另一端通过进气模块和盖板连接至所述气体分布板，且所述电极接口、进气模块、盖板以及气体分布板均为导体，所述电极接口中含有进气管路，所述进气管路贯穿所述电极接口、进气模块和盖板，通入所述缓冲腔室中；反应气体通过所述进气管路进入所述缓冲腔室中混合均匀，再经过所述气体分布板上的出气单元进入所述真空腔室中，同时，所述电极接口将射频电源连接至所述气体分布板，所述气体分布板与真空腔室之间辉光放电，产生等离子体。

进一步地，所述出气单元均匀分布在所述气体分布板上，且相邻的两行或两列出气单元错开分布。

进一步地，所述出气单元中包括出气孔，所述出气孔贯穿所述出气单元，连接所述缓冲腔室和真空腔室，其中，所述出气孔连接所述缓冲腔室的一端为倒锥体进口，连接所述真空腔室的一端为椎体出口；所述倒锥体进口的上表面面积大于下表面面积，所述椎体出口的上表面面积小于下表面面积。

进一步地，所述出气单元中还包括凹槽，所述凹槽位于所述出气孔的两侧，且凹槽为锥体凹槽，所述锥体凹槽的上表面面积小于下表面面积，使得锥体凹槽与出气孔下方的锥体出口之间形成尖端，用于尖端放电引弧。

进一步地，所述电极接口的数量为两个，均安装在所述进气模块的中线上，且以所述进气模块上表面的中心点呈对称分布。

进一步地，所述进气模块与所述盖板之间通过中空的密封圈连接。

进一步地，所述缓冲腔室上方的盖板中分布冷却水路，所述冷却水路在盖板中呈环形分布。

进一步地，所述冷却水路距离盖板边缘位置的距离为3-10cm。

进一步地，所述气体分布板与所述盖板之间通过中空的密封圈连接。

进一步地，所述进气模块、盖板、缓冲腔室、气体分布板的中心点在垂直方向上位于一条直线上。

本发明的有益效果为：(1)本发明中出气单元的排列在横向或纵向上，相邻两排出气单元错开分布，使得真空腔室中的气流、电场分布更均匀，从而提高等离子体刻蚀和镀膜的表面质量；(2)本发明中出气孔连接缓冲腔室的一端为倒锥体进口，连接真空腔室的一端为椎体出口，倒锥体进口的上表面面积大于下表面面积，椎体出口的上表面面积小于下表面面积，这种特殊的气孔形貌设计，可以有效避免沉积物堵塞气孔；(3)本发明中磁增强模块位于等离子体源的两侧，用于在等离子体源下方添加磁场，该磁场可以约束真空腔室中电子的运动轨迹，使得电子的活动范围限制在气体分布板正下方的一定距离内，当缓冲腔室中的气体进入真空腔室时，加大了气体与电子的碰撞几率，从而提高了反应气体的电离率； (4)本发明中气体分布板的宽度远远小于其长度，使得气体分布板的整体面积较小，从而使得射频电源使用的功率低，不容易产生局部放电，等离子体源和射频电源的使用寿命长。

附图说明

附图1为本发明一种磁增强型等离子体源与真空腔室的截面示意图；

附图2为本发明中气体分布板上出气单元的排列示意图；

附图3为本发明中出气单元的结构示意图。

图中：10进气模块，101电极接口，102进气管路，20盖板，201冷却水路， 202密封圈，30缓冲腔室，301气体分布板，3010出气单元，30101出气孔，30102 凹槽，3020密封圈，40磁增强模块，401绝缘板，50，真空腔室，501绝缘材料，502等离子体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

请查阅附图1，本发明提供的一种磁增强型等离子体源，包括盖板20、缓冲腔室30、磁增强模块40和进气模块10；盖板20中含有中空的缓冲腔室30，缓冲腔室30的下表面与盖板20的下表面齐平，且缓冲腔室30除了下表面以外的面均被盖板20包围，盖板20和缓冲腔室30的下表面通过气体分布板301连接接地的真空腔室50；气体分布板301上分布出气单元3010；磁增强模块40包括绝缘板401与磁铁块，磁铁块安装在盖板20的两侧，用于在真空腔室50中产生水平方向的磁场，磁铁块和盖板20之间通过绝缘板401隔离；进气模块10位于盖板20的上方，且进气模块10与盖板20的中心点在垂直方向上位于一条直线上；进气模块10包括至少一个位于其上表面的电极接口101，电极接口的一端通过匹配器与射频电源连接，另一端通过进气模块和盖板连接至气体分布板，且电极接口、进气模块、盖板以及气体分布板均为导体，电极接口中含有进气管路 102，进气管路贯穿电极接口、进气模块和盖板，通入缓冲腔室30中；反应气体通过进气管路102进入缓冲腔室30中混合均匀，再经过气体分布板301上的出气单元3010进入真空腔室50中，同时，电极接口101将射频电源连接至气体分布板301，气体分布板301与真空腔室50之间辉光放电，产生等离子体502。

请继续参阅附图1，本发明中进气模块10包括电极接口101和进气管路102。电极接口101的数量可以为任意数值，具体可以根据等离子体源的尺寸以及工艺要求进行设定。优选地，电极接口可以是两个，位于进气模块10的上表面，用于将射频电源、匹配器与等离子体源之间的连接。具体的，两个电极接口101 的位置在进气模块10上表面的中线上，以进气模块10的上表面中心点呈对称分布，两个电极接口101安装在距离进气模块两端1/4处。两个电极接口101通过匹配器连接到射频电源上，射频电源的频率为13.56MHz的高频电源，在其他应用案例中，也可以使用100-800KHz的低频电源。

进气管路102在电极接口101中，以圆孔形状连通到进气模块下表面；进气管路102一端连接绝缘材质的软管，软管的另一端连接反应气体，其中，反应气体可以为单一的气体，也可以是两种或者两种以上的气体混合物。另一端垂直连接到进气模块10的下表面，反应气体混合后通过绝缘材质的软管进入进气管路102，再途经进气模块10下面的盖板20进入到缓冲腔室30，在缓冲腔室30中，由于进气管路与电极接口的数量相同，当电极接口为多个时，各个进气管路中的反应气体进入到缓冲腔室中充分混合、减缓流速，之后再经过气体分布板301 上的出气单元3010进入真空腔室中。

进气模块10与盖板20之间用密封圈202密封，该密封圈202为中空形状，盖板20还包括冷却水路201，冷却水路201呈环形布置在盖板20内部，且位于缓冲腔室的上方，其通过一个进水口和一个出水口连通到盖板20的上表面。可以将冷却水路201分为前后左右四部分，四部分水路首尾相连，前后两部分对称分布，左右两部分对称分布。在本实施例中，冷却水路201距离盖板边缘都是 3-10cm，这种分布方式可以有效的控制盖板的温度。在冷却水路201的前端部分，对称的取两个点打孔连接到盖板20的上表面，一个孔连接进水管，另一个孔连接出水管。

请参阅附图1、2和3，缓冲腔室30与盖板的下表面齐平，且共同连接气体分布板301；气体分布板301包括多个出气单元3010，出气单元在横向和纵向上，相邻两排出气单元3010错开分布，有利于反应气体分布更均匀，如附图2所示。出气单元包括出气孔30101和凹槽30102，其中，出气孔贯穿出气单元，连接缓冲腔室和真空腔室，出气孔连接缓冲腔室的一端为倒锥体进口，连接真空腔室的一端为椎体出口。倒锥体进口的上表面面积大于下表面面积，椎体出口的上表面面积小于下表面面积。凹槽30102位于出气孔的两侧，且凹槽为锥体凹槽，锥体凹槽的上表面面积小于下表面面积，使得锥体凹槽与出气孔下方的锥体出口之间形成尖端，该尖端结构有利于尖端放电引弧，如附图3所示。

其中，出气孔30101连接真空腔室的一端为椎体出口，主要是因为在产生等离子体的过程中，混合的反应气体可能会发生化学反应，生成固体状产物，该产物刚刚进入或者还未来得及进入真空腔室，从而停留在出气孔与真空腔室的连接处，本发明采用椎体出口，大大增加了该连接处的出口面积，避免固体状产物堵塞出气孔。

本发明中形成的缓冲腔室30高度为3-10cm，长度为1000cm—1500cm，气体分布板301与盖板20之间使用密封圈3020密封。值得说明的是：由于进气模块的横截面积小于盖板的横截面积，只需要对进气模块的下表面与盖板上表面接触的边缘位置进行密封，同时，由于气体分布板与盖板的中间为中空的缓冲腔室，因此，只需要将盖板与气体分布板的周边进行密封。本发明中射频电极还要经由进气模块传至盖板以及气体分布板上，因此，密封圈均为中空结构，确保射频电源可以被最终连接至气体分布板上。

请继续参阅附图1，本发明中磁增强模块40由磁铁块组成，磁铁块排列在磁靴条上，磁靴条安装在等离子体源中盖板的两侧，用绝缘体401隔离。本发明中磁增强模块的侧边还可以安装冷却系统，用于在生产过程中，对磁增强模块中的磁铁块进行降温，具体冷却系统的设置方式可以采用现有技术中的设置方式。采用磁铁块在等离子体源下方形成磁场，能够有效的约束等离子体运动方向和提高气体电离率。这主要是因为磁场可以约束真空腔室中电子的运动轨迹，使得电子的活动范围限制在气体分布板正下方的一定距离内，当缓冲腔室中的气体进入真空腔室时，加大了气体与电子的碰撞几率，从而提高了反应气体的电离率。

值得说明的是，本发明中磁增强等离子体源可以两个或多个在同一设备上安装使用。并且气体分布板的形状也可以是长宽相同的形状等等。由于可以多个等离子体源共同安装在一个设备上，因此，等离子源对应的气体分布板的面积可以设计为如附图2中所示，其宽度远小于长度的设计减小了气体分布板的面积，从而减小与之连接的射频电源的功率。当本发明中气体分布板的宽度远远小于长度时，形成线性等离子体源；当本发明中气体分布板的宽度约等于长度时，形成面性等离子体源；因此，本发明的等离子体源可以适用于线性或者面性等离子体源中。

如附图1所示，本发明中进气模块、盖板、缓冲腔室、气体分布板的中心点在垂直方向上位于一条直线上，这种结构可以使得真空腔室中的气体分布更加均匀，也是的气体分布板上的电场分布均匀，从而能够更加均匀有效地产生等离子体。

以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种磁增强型等离子体源，其特征在于，包括盖板、磁增强模块和进气模块；

所述盖板中含有中空的缓冲腔室，所述缓冲腔室的下表面与所述盖板的下表面齐平，且缓冲腔室除了下表面以外的面均被所述盖板包围，所述盖板和缓冲腔室的下表面通过气体分布板连接接地的真空腔室；所述气体分布板上分布出气单元；所述出气单元中包括出气孔和凹槽，所述凹槽位于所述出气孔的两侧，且凹槽为锥体凹槽，所述锥体凹槽的上表面面积小于下表面面积，使得锥体凹槽与出气孔下方的锥体出口之间形成尖端，用于尖端放电引弧；

所述磁增强模块包括绝缘板与磁铁块，所述磁铁块安装在所述盖板的两侧，用于在真空腔室中产生水平方向的磁场，所述磁铁块和盖板之间通过所述绝缘板隔离；

所述进气模块位于所述盖板的上方，且所述进气模块与所述盖板的中心点在垂直方向上位于一条直线上；所述进气模块包括至少一个位于其上表面的电极接口，所述电极接口的一端通过匹配器与射频电源连接，另一端通过进气模块和盖板连接至所述气体分布板，且所述电极接口、进气模块、盖板以及气体分布板均为导体，所述电极接口中含有进气管路，所述进气管路贯穿所述电极接口、进气模块和盖板，通入所述缓冲腔室中；

反应气体通过所述进气管路进入所述缓冲腔室中混合均匀，再经过所述气体分布板上的出气单元进入所述真空腔室中，同时，所述电极接口将射频电源连接至所述气体分布板，所述气体分布板与真空腔室之间辉光放电，产生等离子体。

2.根据权利要求1所述的一种磁增强型等离子体源，其特征在于，所述出气单元均匀分布在所述气体分布板上，且相邻的两行或两列出气单元错开分布。

3.根据权利要求2所述的一种磁增强型等离子体源，其特征在于，所述出气孔贯穿所述出气单元，连接所述缓冲腔室和真空腔室，其中，所述出气孔连接所述缓冲腔室的一端为倒锥体进口，连接所述真空腔室的一端为椎体出口；所述倒锥体进口的上表面面积大于下表面面积，所述椎体出口的上表面面积小于下表面面积。

4.根据权利要求1所述的一种磁增强型等离子体源，其特征在于，所述电极接口的数量为两个，均安装在所述进气模块的中线上，且以所述进气模块上表面的中心点呈对称分布。

5.根据权利要求1所述的一种磁增强型等离子体源，其特征在于，所述进气模块与所述盖板之间通过中空的密封圈连接。

6.根据权利要求1所述的一种磁增强型等离子体源，其特征在于，所述缓冲腔室上方的盖板中分布冷却水路，所述冷却水路在盖板中呈环形分布。

7.根据权利要求6所述的一种磁增强型等离子体源，其特征在于，所述冷却水路距离盖板边缘位置的距离为3-10cm。

8.根据权利要求1所述的一种磁增强型等离子体源，其特征在于，所述气体分布板与所述盖板之间通过中空的密封圈连接。

9.根据权利要求1所述的一种磁增强型等离子体源，其特征在于，所述进气模块、盖板、缓冲腔室、气体分布板的中心点在垂直方向上位于一条直线上。

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