CN110970280A - 离子源和等离子体处理设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种离子源和等离子体处理设备，离子源包括反应腔，包含一环形腔体，环形腔体上设置有进气管和出气管，环形腔体内壁的径向截面为圆形，进气管内壁和出气管内壁的径向截面均为椭圆形，且三者内壁光滑过渡。环形腔体上环绕有环形磁芯，环形磁芯连接射频电源。本发明离子源消除了腔体内壁棱角，为等离子体提供了一光滑无棱角的环形生成回路，能最大限度保证等离子体回路顺畅，减少不必要碰撞消损和热传导，增了加等离子体效益时间；且降低了反应腔各部分的降低了热通量，减少了效能损耗。

Description

离子源和等离子体处理设备

技术领域

本发明涉及离子源技术领域，具体而言，涉及一种离子源和等离子体处理设备。

背景技术

离子源是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。它是各种类型的离子加速器、质谱仪、电磁同位素分离器、离子注入机、离子束刻蚀装置、离子推进器以及受控聚变装置中的中性束注入器等设备的不可缺少的部件。

离子源中必不可少的反应腔用于给等离子体提供生成空间。目前有反应腔采用环形设计，参考图1，环形磁芯绕设在环形反应腔上，以形成环形回路。然而，环形反应腔内棱角过多，气体运行时会经过很多的碰撞，容易造成效能损耗，而且环面温度过高，效能损耗也过高。

需要说明的是，在上述背景技术部分发明的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种离子源和等离子体处理设备，解决了现有离子源生成等离子体时效能损耗过高的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种离子源，包括：

反应腔，包含一环形腔体，所述环形腔体上设置有进气管和出气管，所述进气管和出气管均与所述环形腔体相通；所述环形腔体内壁的径向截面为圆形，所述进气管内壁和所述出气管内壁的径向截面均为椭圆形，且所述进气管和出气管的内壁与所述环形腔体的内壁光滑过渡；

环形磁芯，环绕于所述环形腔体上；

射频电源，与所述环形磁芯电连接。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述进气管或出气管内壁的椭圆形长轴的长度小于或等于所述环形腔体的圆形内径的1.3倍，短轴的长度大于或等于所述环形腔体的圆形内径的0.8倍。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述进气管、出气管和环形腔体为一体成型结构。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述反应腔内壁具有导热层。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述导热层包括紫外光固化涂层。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述离子源还包括：导热板，包覆于所述反应腔外壁。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述导热板外壁具有耐高温层。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述离子源还包括：冷却板，包覆于所述导热板外壁。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述冷却板包括相互绝缘的第一冷却板和第二冷却板，所述第一冷却板和第二冷却板分别连接至所述电源的两极。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述第一冷却板和第二冷却板之间通过绝缘材料连接为一体。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述绝缘材料为陶瓷。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述射频电源为脉冲频率调制的射频电源。

在本发明的一种示例性实施方式中，所述射频电源包括并联式谐振电容器。

根据本发明的一个方面，提供一种等离子体处理设备，包括：以上任一项所述的离子源。

本发明的离子源改变了反应腔的结构，设计了气体进出管结构，并消除了腔体内壁棱角，为等离子体提供了一光滑无棱角的环形生成回路，一方面，能最大限度保证等离子体回路顺畅，没有死区，使等离子体运行时减少不必要碰撞消损和热传导，增了加等离子体效益时间；另一方面，降低了反应腔各部分的降低了热通量，减少了效能损耗。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为传统离子源结构示意图；

图2为本发明离子源结构示意图；

图3为本发明离子源反应腔的结构示意图；

图4为传统离子源运行过程中内部温度；

图5为本发明离子源运行过程中内部温度；

图6为本发明反应腔与传统反应腔运行过程中最大热通量比较；

图7为传统反应腔不同部位最大热通量；

图8为本发明反应腔不同部位最大热通量；

图9为本发明离子源反应腔外部的结构示意图；

图10为本发明离子源冷却板结构示意图。

图中，1、反应腔；11、环形腔体；12、进气管；13、出气管；2、环形磁芯；3、射频电源；4、导热板；5、耐高温层；6、冷却板；61、冷却单元；610、冷却基板。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

本发明实施方式中提供了一种离子源，也可以称之为离子生成器、离子发生器或离子源生成器，用于生成等离子体。本发明所指的等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质。本发明离子源产生的等离子体可以用于反应离子刻蚀，用等离子体中的自由基去轰击或溅射被刻蚀材料的表面分子，形成易挥发物质，从而实现刻蚀的目的，此处所指刻蚀也包括对材料表面的清洗。本发明离子源产生的等离子体还可以用于增强化学气相沉积，用等离子体激活反应气体，促进在基体表面或近表面空间进行化学反应，生成固态膜。除此之外，本发明离子源还可以提供用于其他目的的等离子体，在此不再一一列举。

如图2、3所示，该离子源主要包括反应腔1，包含一环形腔体11，环形腔体上设置有进气管12和出气管13，进气管12和出气管13均与环形腔体11相通；环形腔体内壁的径向截面为圆形，进气管内壁和出气管内壁的径向截面均为椭圆形，且进气管12和出气管13的内壁与环形腔体11的内壁光滑过渡。环形腔体11上环绕有环形磁芯2，环形磁芯2连接射频电源3。

反应腔1作为等离子体生成空间，且给等离子体提供生成空间。环形磁芯2包围着反应腔1的一部分，射频电源3的电磁波的电信号能够传输到反应腔1中，并在反应腔1内具有最大电场值，当气体到达该反应腔1时，会被电场击穿，从而形成等离子体。射频电源3的输出端与磁芯的初级绕组相连，用于给环形磁芯2供电，使得电场通过磁芯耦合至反应腔1，由此在环形腔体11内形成等离子体环形回路放电，使等离子体在闭合的环形回路中生成。

由于等离子体在环形腔体11中运动，环形腔体11径向截面设为光滑的圆形，在提供最大生成空间的前提下，减少了等离子体在回路中不必要碰撞造成能量损失。同时在环形腔体11上设置的进气管12和出气管13具有圆筒形颈部，并其与腔体内壁形成光滑过渡，进一步消除了进气管12和出气管13与环形腔体11连接处的棱角结构，避免了等离子体在棱角处碰撞造成的效能损失。

下面对本发明实施方式的离子源进行详细说明：

本发明的环形腔体11的径向截面为圆形，进气管12和出气管13的径向截面是椭圆形，本发明椭圆形包括长轴和短轴长度不同的椭圆形状，也包括长轴和短轴长度相同的椭圆形状(即圆形，属于椭圆形的特例)。三者的径向截面形状可以一致，也可以不一致，只要三者内壁连接处形成光滑过渡即不影响本发明的实施。以下以进气管12和出气管13的径向截面均是圆形为例进行说明。

在本发明的一种实施方式中，参考图3，反应腔1包含一环形腔体11，环形腔体11内部为供等离子体运动的腔体，环形腔体11径向截面的形状为正圆形，没有任何棱角或尖锐突起，避免了等离子体因为不必要的碰撞造成效能损失。环形腔体11的上端设置有与腔体内部相通的进气管12，进气管12具有向外延伸的圆筒形颈部，进气管12作为气体进口，用于向环形腔体11内输送反应气体。环形圆筒的下端设置有与腔体内部相通的出气管13，也具有向外延伸的圆筒形颈部，出气管13正对进气管12，作为气体出口，用于将环形腔体11内反应的废气排出腔体。进气管12和出气管13的轴线在一条直线上，进气管12和出气管13的内壁与环形腔体11内壁光滑过渡，使反应腔1体从进口到出口的任意位置都具有光滑内表面，能最大限度保证等离子体下游顺畅，没有死区，使等离子体运行时减少不必要碰撞消损和热传导，增加等离子体效益时间。

本示例性实施方式中的进气管12和出气管13的内壁的截面面积相同，且二者延伸的筒形颈部长度也相等。在本发明的其他实施方式中，进气管12和出气管13的内壁的截面面积也可以不同，即大小不同的圆形管。二者延伸的筒形颈部的长度也可以不同。另外，本实施方式中的进气管12和出气管13均为直筒，在本发明的其他实施方式中，进气管12和出气管13内壁的径向截面面积可以变化，如进气管12由下而上可以逐渐变窄或变宽，同理，出气管13由上而下可以逐渐变窄或变宽。只要环形腔体11内壁无棱角，且与进气管12和出气管13内壁光滑过渡即可。

本发明的环形磁芯2用于提供磁场，可以是铁氧体磁芯、锰-锌铁氧体或镍-锌铁氧体等多种可用于各种电子设备的磁芯材料。环形磁芯2穿过环形腔体11并环绕在环形腔体11上，且环形磁芯2的中轴线与环形腔体11的中轴线重合，以保证等离子体运动回路位于腔体中心，而不会碰撞在腔体内壁上。磁芯的数量取决于维持等离子体回路所需的电压和功率，若有多个磁芯，则通常沿环形腔体11均匀分布，如图1所示，该实施方式中包括四个环形磁芯2，以90度的夹角均匀分布在环形腔体11外周。当然，本领域技术人员可以知晓的是，环形磁芯2的数量还可以为其他数量，本发明不对此进行特殊限定。

环形腔体11、进气管12和出气管13的尺寸既会影响等离子体的运行回路，也会影响整个反应腔1效能损耗。本发明进气管12和出气管13椭圆形的短轴大于或等于环形腔体圆形内径的0.8倍，且椭圆形的长轴小于或等于环形腔体圆形内径的1.3倍。在本示例性实施方式中，进气管和出气管的径向截面均为圆形，是椭圆形的长轴和短轴相等时的特殊情况，二者的内径是环形腔体圆形内径的0.8～1.3倍。该比例使得气流位于环形腔体11的中心位置，运行更充分完整，热通量更低，效能最高。举例而言，在一反应腔1中，环形腔体11的内径为38mm，腔体壁厚2mm，外径42mm，其进气管12和出气管13均为圆形，其口径为30～50mm。

本发明环形腔体11的材料包括但不限于石英，进气管12和出气管13的材料与环形腔体11相同。环形腔体11、进气管12和出气管13可以通过多种方式来构造。在本示例性实施方式中，环形腔体11、进气管12和出气管13通过一体成型工艺形成，使得整个反应腔1体更加坚固强化。一体成型可以采用铸造、挤压、3D打印等任意方式，本发明不对此进行特殊限定。

本示例性实施方式中，反应腔1内壁还具有导热层，导热层采用可以导热的材料附着在环形腔体11、进气管12和出气管13的内壁上，通过改善反应腔1表面材质进一步降低环面温度，避免元件运作温度过高，大大降低了生产成本。

本示例性实施方式中，导热层包括紫外光固化涂层，即环形腔体11、进气管12和出气管13的内壁全部都涂覆有紫外光固化涂层。由于等离子体发生器常用石英管，而石英管耐高温性较差，容易发生变形，涂覆有紫外光固化涂层可以对石英管的温度进行分散，降低腔体温度，延长石英管使用寿命，避免频繁更换引起的高成本。同时，采用紫外光固化涂层对反应腔1内壁进行保护，也能解决石英高频电感耦合等离子体发生器强紫外光辐射问题。

紫外光固化涂层可采用多种方式附着在反应腔1内壁上，例如可先将调好的紫外光浆料用喷枪喷涂在石英管内壁，再在一定温度下进行烧结，得到紫外光固化涂层。也可以将石英管在紫外光浆料中浸泡，然后经过紫外光源照射，固化成膜，附着在石英管内壁。当然，还可以采用其他形式的涂覆方法，本发明不对此进行特殊限定。

以上述示例性实施方式的离子源与传统结构的离子源同时进行离子源发生测试和比较，以说明本发明离子源的效果。

图4、5为运行过程中，本示例性反应腔与传统反应腔运行过程中内部温度的比较，如图4所示，传统反应腔的环形腔体部分截面为方形，只具有进气口和出气口，而无向外延伸的进气管和出气管，在该反应腔运行时，由于其出口处存在尖锐棱角，其出口处的温度最高值高达750℃，而如图5所示，本发明反应腔进气口的内壁环面温度最高值约为334℃。由此可见，本发明反应腔的结构成功降低了进出口的环面温度，减少了效能损耗。

图6为本示例性反应腔与传统反应腔运行过程中最大热通量的比较，该热通量均包括出气口处的热通量。如图6所示，随着氧气流量(反应气体)的逐渐增大，出气管处的最大热通量都呈现逐渐增大后降低的趋势。在同样气体流量下，本发明的反应腔的最大热通量始终低于传统反应腔，且本发明反应腔的最大热通量增长趋势明显比传统反应腔缓慢。本发明反应腔的最大热通量在氧气流量为6slpm时达到最高值10W/cm²，而传统反应腔的最大热通量在氧气流量为3slpm时就已达到最高值17W/cm²。

图7、8为本示例性反应腔与传统反应腔不同部位最大热通量的比较，如图7所示，传统反应腔1环形腔体部分的热通量约在12-16W/cm²之间，气体进口的热通量最高，约在16-20W/cm²之间。而如图8所示，本发明反应腔的环形腔体部分热通量较低，约在6.0-8.5W/cm²之间，环形腔体靠近气体进口处的热通量较高，约在7.7-10W/cm²之间，气体进口的颈部热通量约在5.4-7.5W/cm²之间。由此可见本发明的反应腔结构明显降低了热通量，减少了效能损耗。

在本发明的一种实施方式中，参考图9，离子源还包括导热板4，包覆于反应腔1外壁，用于对反应腔的热量进行分散，平衡反应腔各部分的温度。导热板4可以包覆在整个反应腔1外壁上，也可以只包覆在反应腔1体上未被四个环形磁芯2环绕的部位外表面，最大限度的平衡反应腔1的温度。导热板4的内壁为与反应腔1的外壁相配合的圆筒形，以提供足够的导热效果。导热板4的材料可以是金属材料，如铜、铝、铁、铅等或者合金金属，也可以是非金属材料，如氧化铝、氧化硅、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅、石墨等，此处不一一列举。

在本示例性实施方式中，参考图9，导热板4外壁具有耐高温层5，可抑制反应腔1和导热板4的热辐射和传导热，可以减少热量损失。耐高温层5可以采用聚酰亚胺薄膜(PI，Polymide Film薄膜)等化学性质稳定的绝缘材料。

在本示例性实施方式中，参考图9，离子源还包括冷却板，包覆于导热板4外部，即耐高温层5外部，用于进行散热。冷却板可以为金属冷却板，也可以为通过液体或气体进行冷却的冷却板。

举例而言，如图10所示，本示例性实施方式的冷却板6由四个冷却单元61组成，四个冷却单元61相互间隔开来，并分别包覆在导热板4外部，即反应腔1外壁未被四个环形磁芯2环绕的部分。其中，进气管12和出气管13外壁也被冷却板包覆。不同部位冷却单元61的结构需根据反应腔1结构进行设计，确保尽可能完整的将反应腔1和导热板4包覆，以提高冷却效果，进一步降低环面温度，减少效能损耗。每一个冷却单元61可以通过若干块冷却基板610组合而成，冷却基板610之间固定连接在一起，其内壁形状与导热板4外壁相吻合。在本发明的其它实施方式中，本领域技术人员可以理解的是，冷却板6也可以由其他数量的冷却单元组成，本发明不对此进行特殊限定。冷却单元中冷却基板的个数可以为一个，也可以为多个组成。

在本示例性实施方式中，冷却板6至少分为相互绝缘的第一冷却板和第二冷却板，第一冷却板和第二冷却板连接至电源的两极，作为点火电极。冷却板作为第二电极，可以在原有点火电极失效的情况下，利用冷却板进行点火，点火可靠，降低点火失误的情况。而且由于冷却板面积大，有利于形成更高电场。

由于采用冷却板作为点火电极，所以第一冷却板和第二冷却板之间需绝缘以防止短路。第一冷却板和第二冷却板可以为相互分离的两个冷却板，例如以图10所示的分隔开来的任意两个冷却单元61作为第一冷却板和第二冷却板，分别连接电源的两极，形成第二点火电极。

为了达到更理想的冷却效果，冷却板尽量以更大的覆盖面积包裹住反应腔1，因此，还可以通过绝缘材料将第一冷却板和第二冷却板连接为一个整体，并使其内壁充分与导热板4相接触，既能实现作为第二点火电极的作用，又能充分冷却。举例而言，如图10所示的冷却单元中，冷却基板610连接处可以进行封装，以通过绝缘材料形成连接，既能消除冷却基板之间的空隙，充分冷却，又能使相邻的两个冷却基板之间绝缘，以相邻的冷却基板作为第一冷却板和第二冷却板，分别连接电源的正极和负极，形成第二点火电极。封装优选采用陶瓷封装，陶瓷封装为气密性封装，不易产生微裂现象，机械强度高，热膨胀系数小，热导率高，气密性好。当然，也可以采用绝缘塑料等其他封装材料。

在本发明的一种实施方式中，射频电源3为脉冲频率调制(PFM，Pulse frequencymodulation)的射频电源，以避免低占空比的模式下可能会导致全功率金属-氧化物半导体场效应晶体管的过载，有效提高场效应晶体管的可靠性。

在本示例性实施方式中，射频电源3包括并联式谐振电容器，能够提高场效应晶体管的可靠性。

本发明实施方式还提供了一种等离子体处理设备，包括：以上任一种离子源。

本发明所指的等离子体处理设备是指利用离子源产生的等离子体进行物理或化学处理的设备，此处所指物理或化学处理，包括但不限于轰击、溅射、清洗、刻蚀、沉积等。其至少包括一处理腔，提供处理场所。处理腔与离子源的反应腔1之间通过管路连接，用以将等离子体送入给处理腔。等离子体可以通过反应腔1已有的进气管12或出气管13引入管路，进而传送给处理腔，也可以采用其他方式由反应腔1引入管路。本发明不对此进行特殊限定。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (14)

1.一种离子源，其特征在于，包括：

反应腔，包含一环形腔体，所述环形腔体上设置有进气管和出气管，所述进气管和出气管均与所述环形腔体相通；所述环形腔体内壁的径向截面为圆形，所述进气管内壁和所述出气管内壁的径向截面均为椭圆形，且所述进气管和出气管的内壁与所述环形腔体的内壁光滑过渡；

环形磁芯，环绕于所述环形腔体上；

射频电源，与所述环形磁芯电连接。

2.根据权利要求1所述的离子源，其特征在于，所述进气管或出气管内壁的椭圆形长轴的长度小于或等于所述环形腔体的圆形内径的1.3倍，短轴的长度大于或等于所述环形腔体的圆形内径的0.8倍。

3.根据权利要求2所述的离子源，其特征在于，所述进气管、出气管和环形腔体为一体成型结构。

4.根据权利要求1所述的离子源，其特征在于，所述反应腔内壁具有导热层。

5.根据权利要求4所述的离子源，其特征在于，所述导热层包括紫外光固化涂层。

6.根据权利要求1所述的离子源，其特征在于，还包括：

导热板，包覆于所述反应腔外壁。

7.根据权利要求6所述的离子源，其特征在于，所述导热板外壁具有耐高温层。

8.根据权利要求7所述的离子源，其特征在于，还包括：

冷却板，包覆于所述导热板外壁。

9.根据权利要求8所述的离子源，其特征在于，所述冷却板包括相互绝缘的第一冷却板和第二冷却板，所述第一冷却板和第二冷却板连接至所述射频电源的两极。

10.根据权利要求9所述的离子源，其特征在于，所述第一冷却板和第二冷却板之间通过绝缘材料连接为一体。

11.根据权利要求10所述的离子源，其特征在于，所述绝缘材料为陶瓷。

12.根据权利要求1所述的离子源，其特征在于，所述射频电源为脉冲频率调制的射频电源。

13.根据权利要求12所述的离子源，其特征在于，所述射频电源包括并联式谐振电容器。

14.一种等离子体处理设备，其特征在于，包括：

权利要求1-13中任一项所述的离子源。

Images