CN110718437A - 远距电浆产生装置 - Google Patents

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Abstract

一种远距电浆产生装置至少包含反应腔及磁芯。反应腔具有连通的第一腔体与第二腔体，用以通入气体及容纳电浆，第一腔体与第二腔体之间设有介电组件。磁芯贯穿第一腔体与第二腔体，其中气体于第一腔体与第二腔体中螺旋状沿着磁芯的轴心运动，第一腔体与第二腔体中的磁芯产生第一轴向磁场与第二轴向磁场，藉以于第一腔体与第二腔体中沿着磁芯的轴心产生第一感应角向电场与第二感应角向电场。藉由减少高温气体粒子撞击腔体与陶瓷管可增加反应腔的寿命。

Description

远距电浆产生装置
技术领域
本发明是有关于一种远距电浆源(Remote Plasma Source，RPS)，特别是有关于一种可有效降低粒子污染问题的远距电浆产生装置。
背景技术
电浆常被用于许多半导体制程，例如用于生产半导体及面板的电浆增益化学气相沉积(PECVD)制程中清除制程室的残留物，对于产品良率有关键性影响。美国MKS仪器公司所发展的远距电浆源(RPS)虽为目前市场主流，但因腔体设计缘故，妥善率一直被诟病。举例而言，美国专利案第6,150,628号虽揭示一种环向低场反应气体源(Toroidal Low-FieldReactive Gas Source)，其腔体设计及电场系采用环向(Toroidal)结构。然而，其电场会集中在介电屏蔽区(DC Break)附近，因此会造成严重的高能量离子轰击，致使绝缘阳极保护膜脱落，进而造成电弧现象而影响电浆的稳定度。同时，因为腔体绝缘变差，也会造成漏电，形成腔体涡电流(Eddy Current)抵消外部所加交流磁场，使得腔体内的感应电场变弱，进而影响电浆的产生及维持。
此外，由于远距电浆源系采用铁芯感应耦合电浆(Ferrite Core InductivelyCoupled Plasma)的原理，因为使用高频电源，导致电浆阻抗呈现几乎全电阻性，致使能量效率非常高。因此，电子与中性气体的碰撞频率相当高，在高功率的操作环境下，使得气体温度超过2千至3千K。再加上，NF3气体可产生蚀刻性的活化粒子，因此极易使得腔体内的阳极保护膜破坏或脱落，造成粒子污染的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明之一目的就是在提供一种远距电浆产生装置，用以解决上述习知技术的问题。
为达前述目的，本发明提出一种远距电浆产生装置，其系用以使得至少一气体解离成电浆。此远距电浆产生装置至少包含反应腔及磁芯。其中，反应腔具有连通的第一腔体与第二腔体，用以通入气体及容纳电浆，第一腔体与第二腔体之间设有介电组件。磁芯贯穿第一腔体与第二腔体，其中第一腔体与第二腔体中的磁芯产生第一轴向磁场(AxialMagnetic Field)与第二轴向磁场，藉以于第一腔体与第二腔体中沿着磁芯的轴心产生第一感应角向电场(Induced Azimuthal Electric Field)与第二感应角向电场。
其中，气体螺旋状沿着第一腔体与第二腔体中的磁芯的轴心运动。
其中，第一轴向磁场与第二轴向磁场的方向实质平行于第一腔体与第二腔体中的磁芯的轴心，第一感应角向电场与第二感应角向电场的方向实质正交于第一腔体与第二腔体中的磁芯的轴心。
其中，远距电浆产生装置更包含导电线圈缠绕该磁芯，且导电线圈藉由电性连接交流电源使得磁芯形成包含第一轴向磁场与第二轴向磁场的闭合磁路。
其中，远距电浆产生装置更包含点火装置使得反应腔中的气体解离成电浆。
其中，远距电浆产生装置更包含控制单元独立式控制交流电源及点火装置之运作。
其中，远距电浆产生装置更包含第一陶瓷管及第二陶瓷管分别包覆第一腔体与第二腔体中的磁芯。
其中，第一陶瓷管与磁芯之间及/或第二陶瓷管与磁芯之间更设有冷却单元。
其中，远距电浆产生装置更包含两端板位于第一腔体与第二腔体的两侧。
其中，第一腔体与第二腔体的内部腔室的形状为圆柱状。
其中，介电组件设于第一腔体与第二腔体之间的第一区域，第一腔体与第二腔体之间的第二区域具有连通信道，以连通第一腔体与第二腔体。
其中，第一腔体更具有气体导入通道以导入气体，第二腔体具有气体导出通道以导出气体。
为达前述目的，本发明另提出一种具有螺旋气流的远距电浆产生装置，用以使得至少一气体解离成电浆，其特征在于，此远距电浆产生装置至少包含腔体与磁芯。腔体用以通入气体及容纳电浆，其中腔体之一侧纵向设有介电组件。磁芯纵向贯穿腔体，其中气体于腔体中螺旋状沿着磁芯的轴心运动。
其中，远距电浆产生装置更包含陶瓷管包覆腔体中的磁芯。
其中，远距电浆产生装置更包含冷却单元设于陶瓷管与磁芯之间。
其中，气体沿腔体之第一切线方向导入腔体中。
其中，气体沿腔体之第二切线方向离开腔体。
为达前述目的，本发明更提出一种具有感应角向电场的远距电浆产生装置，用以使得至少一气体解离成一电浆，其特征在于，此远距电浆产生装置至少包含腔体与磁芯。腔体用以通入气体及容纳电浆，其中腔体之一侧纵向设有介电组件。磁芯纵向贯穿腔体，磁芯产生交流轴向磁场且交流轴向磁场于腔体中沿着磁芯之轴心产生感应角向电场。
其中，远距电浆产生装置更包含陶瓷管包覆腔体中的磁芯。
其中，远距电浆产生装置更包含冷却单元设于陶瓷管与磁芯之间。
其中，气体于腔体中螺旋状沿着磁芯之轴心运动。
承上所述，依本发明之远距电浆产生装置，其可具有一或多个下述优点：
(1)螺旋气流可减少高温气体粒子撞击腔体与陶瓷管及增加反应腔的寿命。
(2)感应角向电场在陶瓷管/磁芯附近较强，可降低介电屏蔽部位发生电弧现象。
(3)磁芯长度较长，搭配螺旋气流及感应角向电场，可有效产生电浆。
(4)控制单元独立式控制交流电源及点火装置，有助于操作过程中实时点火，可确保电浆源之持续。
(5)操作电压较高，电浆较稳定。
(6)各组件可为模块化设计，容易维护。
附图说明
图1为本发明之远距电浆产生装置之立体示意图。
图2为本发明沿着图1的I-I’剖面线所得之剖面示意图。
图3为本发明沿着图1的II-II’剖面线所得之剖面示意图。
图4为本发明沿着图1的III-III’剖面线所得之剖面示意图。
图5为本发明之远距电浆产生装置之立体示意图，其系显示螺旋气流。
图6为本发明之远距电浆产生装置之立体示意图，其系显示感应角向电场。
图7为本发明之远距电浆产生装置之电路方块图
其中：
10：远距电浆产生装置
20：反应腔
21：气体导入通道
22：第一腔体
23：气体导出通道
24：第二腔体
25：端板
26：介电组件
28：导电线圈
29：连通通道
30：交流电源
31：开口
32：第一陶瓷管
33：开口
34：第二陶瓷管
36：冷却单元
40：磁芯
80：点火装置
90：控制单元
411：侧柱
412：侧柱
413：顶柱
414：底柱
A：轴心
I-I’、II-II’、III-III’：剖面线
具体实施方式
为利了解本发明之技术特征、内容与优点及其所能达成之功效，兹将本发明配合图式，并以实施例之表达形式详细说明如下，而其中所使用之图式，其主旨仅为示意及辅助说明书之用，未必为本发明实施后之真实比例与精准配置，故不应就所附之图式的比例与配置关系解读、局限本发明于实际实施上的权利范围。此外，为使便于理解，下述实施例中的相同组件系以相同的符号标示来说明。且图式所示的组件的尺寸比例仅为便于解释各组件及其结构，并非用以限定。
另外，在全篇说明书与申请专利范围所使用的用词，除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在此揭露的内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本发明的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本发明的描述上额外的引导。
关于本文中如使用“第一”、“第二”、“第三”等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本发明，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已。
其次，在本文中如使用用词“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等，其均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
请一并参阅图1至图7，图1为本发明之远距电浆产生装置之立体示意图。图2为本发明沿着图1的I-I’剖面线所得之剖面示意图，其中冷却单元未绘示以简化图示。图3为本发明沿着图1的II-II’剖面线所得之剖面示意图。图4为本发明沿着图1的III-III’剖面线所得之剖面示意图。图5为本发明之远距电浆产生装置之立体示意图，其系显示螺旋气流。图6为本发明之远距电浆产生装置之立体示意图，其系显示感应角向电场。图7为本发明之远距电浆产生装置之电路方块图。
本发明之远距电浆产生装置系一种铁芯感应耦合电浆产生装置，其具有高能量效率、高电浆密度及低离子能量等优点。且，本发明之远距电浆产生装置使用长度较长的铁芯，以交流电流利用铁芯产生感应角向电场，藉以产生电浆，同时以陶瓷管达到保持真空以及保护铁芯的功能。由于，感应角向电场在陶瓷管/磁芯附近较强，可以有效产生电浆，因此不需要靠介电屏蔽区的强电场来产生电浆，故可以使用较大的陶瓷板，使得间隙变大许多，同时离子沿着角向的方向加速，不易对反应腔体造成轰击，所以不会产生电弧或粒子污染的问题。此外，本发明之远距电浆产生装置可使气体在腔体中产生螺旋状气流(Helicalflow)，可减少气体粒子对于腔体的撞击及减少高温气体对腔体的影响，藉以降低传统阳极保护膜的破坏所导致的粒子污染的问题。换言之，本发明的远距电浆产生装置是一种具有螺旋气流的远距电浆产生装置，也可以是一种具有感应角向电场的远距电浆产生装置。
如图1至图7所示，本发明之远距电浆产生装置10至少包含反应腔20、磁芯40、交流电源30及点火装置80。反应腔20较佳由金属腔体组成，且例如包含第一腔体22与第二腔体24，第一腔体22与第二腔体24的内部腔室的形状例如为圆柱状且并排设置，其内部选择性具有阳极保护膜。在此实施例中，上述的反应腔20虽举例由两腔体组成，惟在其他实施态样中，此反应腔20也可能由单一腔体组成，或由两个以上的腔体所组成，其中反应腔20中的压力可依据实际需求而定，例如为真空状态。第一腔体22与第二腔体24的两侧分别设有两片端板25用以闭合腔体。此外，第一腔体22与第二腔体24的中间更纵向设有阻隔区域，例如介电屏蔽区域。详言之，反应腔20的内部纵向设有介电组件26，其例如为介电材质层，用以将反应腔20分隔成第一腔体22与第二腔体24，且第一腔体22与第二腔体24的部分区域相互连通。详言之，第一腔体22与第二腔体24之间的第一区域系例如设有介电组件26以作为介电屏蔽区，且第一腔体22与第二腔体24的第二区域则具有连通信道29以相互连通第一腔体22与第二腔体24，其中上述的第一区域与第二区域可例如为邻接或非邻接，且可例如为横向邻接或纵向邻接。本实施例系以横向邻接举例，但不以此为限。易言之，在第二区域中，第一腔体22与第二腔体24的切线方向系彼此连接，藉以使得连通通道29形成于介电组件26的底部的侧边。举例而言，连通信道29之设置方式可例如为令第二区域中的两腔体的内部腔室非呈圆柱状，或者于第二区域中的两腔体之间额外设置气体信道等方式均可。反应腔20的组成材质可例如为金属，如铝、铜、镍或锡等。反应腔20亦可由介电材质例如石英所构成。此外，介电组件26的材质可例如为陶瓷或石英，且形态无特别限定，可例如为长方体或其他形状。
本发明的反应腔20之一侧系例如藉由气体导入装置(未绘示)通入至少一气体，其中气体在具有下述之磁场与电场的反应腔20中产生螺旋状气流。气体导入装置例如为切向气体发射器(Tagential Gas Launcher)，但不限于此。在此实施例中，上述之气体系例如经由第一腔体22顶侧的气体导入通道21进入第一腔体22中，且沿着磁芯40的轴心(即绕着磁芯40)由上而下螺旋状运动至第一腔体22与第二腔体24底部的连通通道29。气体导入通道21的一侧具有开口31位于第一腔体22的腔壁上，且另一侧连通气体导入装置。接着，气体再经由连通通道29进入第二腔体24中，且沿着磁芯40的轴心(即绕着磁芯40)由下而上螺旋状绕着磁芯40运动至气体导出通道23，再经由第二腔体24顶侧的气体导出通道23离开第二腔体24。气体导出通道23的一侧具有开口33位于第二腔体24的腔壁上，且另一侧连通其他制程室(未绘示)。由于气体在反应腔20中产生螺旋状气流，因此可减少气体粒子对于腔体的撞击，以降低粒子污染的问题。此外，由于气体导入通道21系导入切向气体，因此气体导入通道21较佳为设置于第一腔体22的切线方向上。同理，气体导出通道23较佳为设置于第二腔体24的切线方向上。而且，连通通道29也较佳为同时设置于第一腔体22与第二腔体24的切线方向上，使得第一腔体22与第二腔体24的内部腔室相互连通。在此实施例中，上述的气体例如为NF3或其他适合的工作气体。惟，上述之气体种类仅为举例，并非用以限定本发明的实施与范围。而且，反应腔20之另一侧可例如为直接连通其他制程室(未绘示)，藉以使得解离后的气体可离开反应腔20并进入此制程室中以进行其他后续制程。
本发明之远距电浆产生装置10的磁芯40的材质可例如为铁氧体(Ferrite)、层压铁(Laminated Iron)或其他材料。在此实施例中，磁芯40例如为矩形环，其可产生闭合磁路。举例而言，矩形环由相互连接或一体成形的两侧柱411、412、顶柱413及底柱414组成。磁芯40的侧柱411、412例如为实心圆柱。磁芯40的两侧柱411、412分别纵向贯穿第一腔体22与第二腔体24的内部，且磁芯40的顶柱413及底柱414则分别横向位于第一腔体22与第二腔体24的上方与下方，且位于上下两片端板25的两侧。
在此实施例中，远距电浆产生装置10更选择性包含圆筒状的第一陶瓷管32及第二陶瓷管34包覆第一腔体22与第二腔体24中的磁芯40的侧柱411、412，藉以保持真空及保护磁芯40。此外，第一陶瓷管32与磁芯40之间及/或第二陶瓷管34与磁芯40之间更可选择性设有冷却单元36。其中，此冷却单元36例如具有缠绕于磁芯40外侧的冷却管路，冷却管路中为冷却流体，例如水或其他冷凝剂，藉以采用液冷方式达到冷却效果。除此之外，当操作功率较低时，冷却管路中的冷却流体亦可改为气体，即采用气冷方式达到冷却效果。其中，第一陶瓷管32与第二陶瓷管34的内径、厚度与长度可依据使用的磁芯40的外径及长度而调整，而且第一陶瓷管32及第二陶瓷管34的内径较佳为大于磁芯40的外径，藉以使得冷却单元36的冷却管路可缠绕于磁芯40的外侧，且位于第一陶瓷管32及/或第二陶瓷管34的内侧。同理，冷却单元36的冷却管路的管径以及冷却流体的流量等数据参数可依据实际所需冷却状况而进行改变与调整，且具有通常知识者依据本发明之揭示内容，当可明了如何实施以达到冷却效果。
此外，本发明之远距电浆产生装置10更包含导电线圈28与交流电源30，其中导电线圈28系缠绕于磁芯40的顶柱413及/或底柱414的外侧，且导电线圈28电性连接交流电源30，藉由施加交流电于导电线圈28可使得磁芯40产生实质平行于磁芯40之轴心A的交流磁流(AC Magnetic flux)。其中，依据法拉第定理，此交流磁流可沿着磁芯的轴心A(即于磁芯40周围)形成实质正交于磁芯40之轴心A的感应角向电场以产生电浆。因此，磁芯40周围的感应角向电场强度较强，又磁芯40包覆有第一陶瓷管32与第二陶瓷管34，因此第一陶瓷管32与第二陶瓷管34附近的感应角向电场强度较强。其中，交流电源30的频率例如介于300kHz至400kHz之间，电压例如为400V，功率例如为高于10kW。
详言之，本实施例的磁芯40例如为环状结构，因此施加交流电于环状缠绕磁芯40的导电线圈28时，可使得磁芯40产生闭合磁路，亦即磁芯40的两侧柱411、412在第一腔体22与第二腔体24的内部分别形成方向相反的第一轴向磁场及第二轴向磁场，而磁芯40的顶柱413与底柱414则在第一腔体22与第二腔体24的外部形成方向相反的第一横向磁场与第二横向磁场。其中，第一轴向磁场与第二轴向磁场的方向实质平行于第一腔体22与第二腔体24中的磁芯40的轴心A。由于带电粒子会受磁力影响，且磁力方向与粒子的速度方向垂直。因此，带电粒子会沿着磁力线成螺旋状旋绕，即进行螺旋运动(Gyro Motion)。本发明之远距电浆产生装置10可藉由第一轴向磁场与第二轴向磁场沿着磁芯40的轴心A产生第一感应角向电场与第二感应角向电场，且第一感应角向电场与第二感应角向电场实质正交于磁芯40之轴心A。磁芯40的外部包覆有第一陶瓷管32与第二陶瓷管34。因此，第一陶瓷管32与第二陶瓷管34附近的感应角向电场强度较强，可有效产生电浆。
本发明之远距电浆产生装置10更具有控制单元90，其例如为数字控制器。此控制单元90系分别电性连接交流电源30及点火装置80，藉以分别提供第一控制讯号及第二控制讯号给交流电源30及点火装置80，以控制交流电源30及点火装置80之运作。本发明采用独立式控制交流电源30及点火装置80之运作，有助于操作过程中实时点火，可确保电浆源之持续。
除此之外，本发明的远距电浆产生装置10的点火装置80系用以使得反应腔20中的气体解离成电浆。其中，点火装置80可例如为具有设于反应腔20中的电极，藉由提供高压电脉冲以初始离子化气体产生自由电子，藉以点燃电浆。又或者，点火装置80可为紫外光源或微波，其同样可初始离子化气体产生自由电子，藉以点燃电浆。除此之外，上述的点火装置80仅为举例，并非用以限定本发明之范围，其他形式的触点火装置只要可产生自由电子，则同样适用于本发明中。此外，由于本发明可采用任何已知的点火器，且其结构设计与点火触发电浆生成的方式已属习知技术，具有通常知识者依据本发明之教示及揭示内容，应可清楚明了如何实施，故此处不另赘述。
综上所述，依本发明之远距电浆产生装置，其可具有一或多个下述优点：
(1)螺旋气流可减少高温气体粒子撞击腔体与陶瓷管及增加反应腔的寿命。
(2)感应角向电场在陶瓷管/磁芯附近较强，可降低介电屏蔽部位发生电弧现象。
(3)磁芯长度较长，搭配螺旋气流及感应角向电场，可有效产生电浆。
(4)控制单元独立式控制交流电源及点火装置，有助于操作过程中实时点火，可确保电浆源之持续。
(5)操作电压较高，电浆较稳定。
(6)各组件可为模块化设计，容易维护。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明之精神与范畴，而对其进行之等效修改或变更，均应包含于后附之申请专利范围中。

Claims (20)

1.一种远距电浆产生装置，用以使得至少一气体解离成一电浆，至少包含：
一反应腔，具有连通的一第一腔体与一第二腔体，用以通入该气体及容纳该电浆，其中该第一腔体与该第二腔体之间设有一介电组件；以及
一磁芯，贯穿该第一腔体与该第二腔体，其中该第一腔体与该第二腔体中的该磁芯产生一第一轴向磁场与一第二轴向磁场，藉以于该第一腔体与该第二腔体中沿着该磁芯之一轴心产生一第一感应角向电场与一第二感应角向电场，其中该气体于该第一腔体与该第二腔体中螺旋状沿着该磁芯之该轴心运动。
2.如权利要求1所述远距电浆产生装置，其中该第一轴向磁场与该第二轴向磁场的方向实质平行于该第一腔体与该第二腔体中的该磁芯的该轴心，该第一感应角向电场与该第二感应角向电场的方向实质正交于该第一腔体与该第二腔体中的该磁芯的该轴心。
3.如权利要求1所述远距电浆产生装置，更包含一导电线圈缠绕该磁芯，且该导电线圈电性连接一交流电源使得该磁芯形成包含该第一轴向磁场与该第二轴向磁场的一闭合磁路。
4.如权利要求3所述远距电浆产生装置，更包含一点火装置使得该反应腔中的该气体解离成该电浆。
5.如权利要求4所述远距电浆产生装置，更包含一控制单元独立式控制该交流电源及该点火装置。
6.如权利要求1所述远距电浆产生装置，更包含一第一陶瓷管及一第二陶瓷管分别包覆该第一腔体与该第二腔体中的该磁芯。
7.如权利要求6所述远距电浆产生装置，其中该第一陶瓷管与该磁芯之间及/或该第二陶瓷管与该磁芯之间更设有一冷却单元。
8.如权利要求1所述远距电浆产生装置，更包含两端板位于该第一腔体与该第二腔体的两侧。
9.如权利要求1所述远距电浆产生装置，其中该第一腔体与该第二腔体的内部腔室的形状为圆柱状。
10.如权利要求9所述远距电浆产生装置，其中该介电组件设于该第一腔体与该第二腔体之间的一第一区域，该第一腔体与该第二腔体之间的一第二区域具有一连通信道，以连通该第一腔体与该第二腔体。
11.如权利要求1所述远距电浆产生装置，其中该第一腔体更具有一气体导入通道以导入该气体，该第二腔体具有一气体导出通道以导出该气体。
12.一种具有螺旋气流的远距电浆产生装置，用以使得至少一气体解离成一电浆，其特征在于，该远距电浆产生装置至少包含：
一腔体，用以通入该气体及容纳该电浆，其中该腔体之一侧纵向设有一介电组件；以及
一磁芯，纵向贯穿该腔体，该气体于该腔体中螺旋状沿着该磁芯之一轴心运动。
13.如权利要求12所述具有螺旋气流的远距电浆产生装置，更包含一陶瓷管包覆该腔体中的该磁芯。
14.如权利要求13所述具有螺旋气流的远距电浆产生装置，更包含一冷却单元设于该陶瓷管与该磁芯之间。
15.如权利要求14所述具有螺旋气流的远距电浆产生装置，其中该气体沿该腔体之一第一切线方向导入该腔体中。
16.如权利要求15所述具有螺旋气流的远距电浆产生装置，其中该气体沿该腔体之一第二切线方向离开该腔体。
17.一种具有感应角向电场的远距电浆产生装置，用以使得至少一气体解离成一电浆，其特征在于，该远距电浆产生装置至少包含：
一腔体，用以通入该气体及容纳该电浆，其中该腔体之一侧纵向设有一介电组件；以及
一磁芯，纵向贯穿该腔体，该磁芯产生一交流轴向磁场且该交流轴向磁场于该腔体中沿着该磁芯之一轴心产生一感应角向电场。
18.如权利要求17所述具有感应角向电场的远距电浆产生装置，更包含一陶瓷管包覆该腔体中的该磁芯。
19.如权利要求18所述具有感应角向电场的远距电浆产生装置，更包含一冷却单元设于该陶瓷管与该磁芯之间。
20.如权利要求18所述具有感应角向电场的远距电浆产生装置，其中该气体于该腔体中螺旋状沿着该磁芯之该轴心运动。
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