CN113764252A - 等离子体源及其启动方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种等离子体源及其启动方法，所述等离子体源包括：射频线圈及其对应的第一电离室，至少一个感应线圈及其对应的第二电离室，以及供气管路；其中，感应线圈串接在射频线圈前端，第一电离室与第二电离室串联连接；供气管路导入气体进入第一电离室，由射频线圈进行电离，未电离的气体进入第二电离室，由感应线圈进行二级电离后，输出等离子体；射频线圈产生磁场对进入第一电离室的气体进行电离，同时感应线圈通过感应射频线圈产生的磁场而产生电感，对进入第二电离室的气体进行电离；该技术方案，实现了多级射频电离效果，极大地提高了电离效率，可以在真空低气压下实现稳定的气体电离，增强了真空沉积过程的有效反应。
Description
技术领域
本申请涉及离子源技术领域，特别是一种等离子体源及其启动方法。
背景技术
在等离子源主要包括平行平板等离子体源(电容耦合)、微波等离子体源和电感耦合(ICP)高频等离子体源等几种形式；电容耦合等离子体源一般是采用两圆型平行平板作为上下电极，射频电源通过配网耦合到上下极板上。微波等离子体利用微波电子回旋共振(ECR)技术来维持对反应气体的辉光放电，对控制薄膜的成分和镀膜内应力的较为灵活。电感耦合高频等离子体源主要是利用电感耦合高频等离子体装置，由高频发生器和感应圈、辉光放电管和供气系统、试样引入系统三部分组成；高频发生器产生高频磁场以供给等离子体能量，用高频点火装置产生放电，形成的离子与电子在电磁场作用下，与原子碰撞并使之电离形成更多的载流子，感应线圈将能量耦合给等离子体，并维持等离子辉光放电。
等离子体源的应用主要包括反应离子刻蚀RIE和等离子体增强化学气相沉积PECVD；其中，反应离子刻蚀的刻蚀过程同时兼有物理和化学两种作用，辉光放电在零点几到几十帕的低真空下进行。基于辉光放电方法的PECVD技术，能够使得反应气体在外界电磁场的激励下实现电离形成等离子体。
上述技术的等离子体源，主要使用电容或者电感的方式直接电离气体，电离腔尺寸一般比较大，导致电离功率密度低，影响了电离效率；而且，需要工作的背景真空度不能太高，如果真空度过高使得气体密度不够，容易导致气体得不到有效的电离效果。
由此可见，现有的等离子体源存在电离效率低和容易产生电离效果不足的缺陷。
发明内容
基于此，有必要针对上述至少一种技术缺陷，提供一种等离子体源及其启动方法，以提升气体电离效率和电离效果。
一种等离子体源，包括：射频线圈及其对应的第一电离室，至少一个感应线圈及其对应的第二电离室，以及供气管路；其中，所述感应线圈串接在射频线圈前端，第一电离室与第二电离室串联连接；
所述供气管路导入气体进入第一电离室，由射频线圈进行电离，未电离的气体进入第二电离室，由所述感应线圈进行二级电离后，输出等离子体；
所述射频线圈产生磁场对进入第一电离室的气体进行电离，同时所述感应线圈通过感应所述射频线圈产生的磁场而产生电感，对进入第二电离室的气体进行电离。
在一个实施例中，所述第一电离室的截面积小于所述第二电离室的截面积；所述气体进入第一电离室的气体浓度高，进入第二电离室的气体空间体积大。
在一个实施例中，所述感应线圈包括串联的第一线圈和第二线圈，其中，第一线圈套入所述射频线圈内，所述第二线圈包裹在所述第二电离室外。
在一个实施例中，所述射频线圈包裹有金属带，用于增强射频线圈的磁场传导效率。
在一个实施例中，所述第一线圈与射频线圈之间包裹有第一金属圈，用于增强第一线圈的导电性；所述第二电离室与第二线圈还设置有第二金属圈，用于增强第二线圈的导电性。
在一个实施例中，所述第一金属圈与第二金属圈之间通过金属连接柱进行固定和连接。
在一个实施例中，所述射频线圈内置有冷却水路，所述感应线圈内置有冷却水路。
在一个实施例中，在所述离子发射口位置设置有阳极，所述阳极连接阳极电源，用于控制等离子体的发射角度。
在一个实施例中，所述的等离子体源，还包括连接所述第二电离室的可调长度的腔室结构，用于调整等离子体发射位置。
在一个实施例中，所述可调长度的腔室结构包括由多个不同长度的绝缘腔室组件，所述绝缘腔室组件通过转接接头连接到所述第二电离室。
在一个实施例中，所述的等离子体源，在离子发射口设置有中和器，用于提供中和电子以降低等离子体源的启动功率。
一种等离子体源的启动方法，应用于上述的等离子体源，该方法包括：
开启供气管路导入气体；
启动射频电源向所述射频线圈提供射频电源；
启动中和器，利用中和器输出的电子激活等离子体；
在判断等离子体源启动成功后，关闭所述中和器；
控制等离子体源进入正常工作模式。
上述等离子体源及其启动方法，设计了射频线圈和感应线圈的结构，感应线圈通过感应射频线圈产生的磁场而产生电感，气体由第一电离室进入后，先由射频线圈进行电离，然后气体再依次进入第二电离室，由感应线圈逐步进行二级电离后输出等离子体；该技术方案，通过设计感应线圈感应射频线圈的磁场得到电感方式，实现了多级射频电离效果，极大地提高了电离效率，可以在真空低气压下实现稳定的气体电离，增强了真空沉积过程的有效反应。
进一步的，设计了第一电离室小于第二电离室的结构，气体首先进入第一电离室的气体浓度最高，可以由射频线圈进行密度更高的电离，然后进入第二电离室的气体空间体积增大，有利于对气体进行高效电离，极大提升了气体的电离效率。
进一步的，通过感应线圈通过金属圈和金属连接柱可以增强导电性，从而提升了感应电感效率，加强电离效果；射频线圈通过金属带可以加强磁场传导效率。
进一步的，在离子发射口位置设置有阳极，通过控制阳极电源可以控制等离子体的发射角度，从而提升了对等离子体可控性，增强了等离子体源的使用效果。
进一步的，设计了可调长度的腔室结构来延长第二电离室的长度，从而可以调整等离子体发射位置，可以设计多个不同长度的绝缘腔室组件进行更换使用，极大提升了等离子体源的使用效果。
进一步的，在离子发射口外侧设置有中和器来协助等离子体源的启动，在启动时使用启动中和器输出电子，使得等离子体源可以在低功率下即可启动，降低等离子体源的启动功率，提升了等离子体源的使用效率。
附图说明
图1是一个实施例的等离子体源的结构示意图；
图2是线圈结构示意图；
图3是射频线圈结构示意图；
图4是感应线圈结构示意图；
图5是阳极结构示意图；
图6是可调长度的腔室结构示意图；
图7是绝缘腔室组件结构示意图；
图8是一个示例的中和器工作示意图；
图9是等离子体源的启动方法流程图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
参考图1所示，图1是一个实施例的等离子体源的结构示意图，图中所示是侧面角度的剖面图；如图中，本实施例提供的等离子体源，主要是包括射频线圈10及其对应的第一电离室11，至少一个感应线圈20及其对应的第二电离室21，以及供气管路30等结构，在第一电离室11外围可以是石英材料的绝缘组件。
如图示，感应线圈20串接在射频线圈10前端，第一电离室11与第二电离室21串联连接，为了便于描述，本实施例是以一个感应线圈20为例，如果需要串联多个电离室，可以从图示往左侧继续串联多个电离室和设计相应感应线圈。
在工作过程中，供气管路30导入气体进入第一电离室11，由射频线圈10进行电离，由于射频线圈10电离后，部分未电离的气体进入第二电离室21，由感应线圈20进行二级电离后，输出等离子体，等离子体由左侧开口发射出去，具体结构未图示。
在电离过程中，首先是射频线圈10产生磁场对进入第一电离室11的气体进行电离，同时感应线圈20通过感应射频线圈10产生的磁场而产生电感，对进入第二电离室21的气体进行电离；形成了多级射频电离效果，本实施例的多级射频电离效果是真正意义上的多级感应和逐级电离，并非多个射频线圈的电离，由此极大地提高了电离效率，可以在真空低气压下实现稳定的气体电离，增强了真空沉积过程的有效反应；由于是可以串联多级感应线圈和电离室，因此理论上可以将气体得到完全充分电离。
为了更加清晰本申请的技术方案，下面结合附图阐述更多实施例。
在一个实施例中，为了提升气体电离效率，参考图1，以第一电离室11与第二电离室21同轴连接为例，第一电离室11的截面积小于第二电离室21的截面积；，即气体由面积小到面积大进入电离室，由此，气体进入第一电离室11后，由于腔体体积较小，其气体浓度较高，此时气体可以由射频线圈10进行密度更高的电离，然后进入第二电离室21的气体空间体积增大，上述电离室的结构设计，有利于对气体进行高效电离，从而整体上极大提升了气体的电离效率。
对于射频线圈10和感应线圈20结构，参考图2所示，图2是线圈结构示意图；如图示，感应线圈20可以包括串联的第一线圈201和第二线圈202两个部分，其中第一线圈201套入射频线圈10内，第二线圈202包裹在所述第二电离室21外；在该设计机构中，第一线圈201可以高效地感应射频线圈10的磁场，并传导至第二线圈202。
继续参考图2，进一步的，第一线圈201与射频线圈10之间还可以包裹有第一金属圈221，用于增强第一线圈201的导电性；同理，第二电离室21与第二线圈202还设置有第二金属圈222，用于增强第二线圈202的导电性；优选的，金属圈采用铜金属制作。
如图3所示，图3是射频线圈结构示意图，射频线圈10还可以包裹有金属带12，通过钎焊方式连接，用于增强射频线圈10的磁场传导效率，优选的，金属带12采用铜金属制作。对于射频线圈10，其通过射频匹配网络、匹配网络控制器连接至射频电源，通过匹配网络控制器可以对射频线圈10的射频功率进行控制。
另外，参考图4所述，图4是感应线圈结构示意图，第一金属圈221与第二金属圈222之间通过金属连接柱23进行固定和连接，优选的，金属连接柱23采用铜金属制作。
上述实施例的方案，通过感应线圈通过金属圈和金属连接柱可以增强导电性，从而提升了感应电感效率，加强电离效果；射频线圈通过金属带可以加强磁场传导效率。
参考图2-4所示，射频线圈10内置有冷却水路，感应线圈20内置有冷却水路，通过冷却水路，如图2和3中，射频线圈10的入水口a1，出水口b1，感应线圈20的入水口a2，出水口b2；该冷却水冷设计，可以对射频线圈10和感应线圈20进行高效散热，确保等离子体源稳定性。
在一个实施例中，为了加强对等离子体的控制，在离子发射口位置还可以设置有阳极40，用于控制等离子体的发射角度；参考图5所示，图5是阳极结构示意图，其中阳极40可以设计成圆环结构，放置于离子发射口位置，阳极40连接阳极电源41，通过控制阳极电源41，可以控制电场大小，从而控制等离子体的发射角度，从而提升了对等离子体可控性，增强了等离子体源的使用效果。
在一个实施例中，为了加强对等离子体发射位置的控制，本申请的等离子体源还可以设计连接第二电离室21的可调长度的腔室结构210，参考图6所示，图6是可调长度的腔室结构示意图，该腔室结构可以延长离子发射口位置，从而调整等离子体发射位置。进一步的，如图7所示，图7是绝缘腔室组件结构示意图，可调长度的腔室结构210可以设计多个不同长度的绝缘腔室组件211，使用中可以根据需求选择相应长度的绝缘腔室组件211，通过转接接头212连接到第二电离室21。
在一个实施例中，为了降低启动功率，本申请的等离子体源还可以在离子发射口设置中和器50，对于具体位置，可以根据实际需求进行设定，参考图8所示，图8是一个示例的中和器工作示意图，中和器50设置在离子发射口外侧，在等离子体源启动时可以提供中和电子，由于真空中有大量的电子，使得电子和电离得到等离子体发生碰撞，从而可以降低等离子体源的启动功率，经验实测结果显示，通常等离子体源需要数千瓦功率才可以启动，而采用本实施例的方案，可以在几百瓦功率下启动。
基于上述提供的中和器技术方案，下面阐述等离子体源的启动方法的实施例；如图9所示，图9是等离子体源的启动方法流程图，主要包括：
s1，开启供气管路导入气体；具体的，打开气体流量计开始导入反应的气体。
s2，启动射频电源向射频线圈提供射频电源，对气体进行电离产生等离子体；在此开始启动等离子体源，气体在电离室内开始进行电离。
s3，启动中和器，利用中和器输出的电子激活等离子体；具体的，开启中和器向等离子体源提供电子。
s4，在判断等离子体源启动成功后，关闭所述中和器；具体的，真空中有大量的电子等离子体发生碰撞，可以低功率启动成功，成功后即可关闭中和器。
s5，控制等离子体源进入正常工作模式。
上述实施例的等离子体源及其启动方法，通过在离子发射口外侧设置中和器来协助等离子体源的启动，在启动时使用启动中和器输出电子，使得等离子体源可以在低功率下即可启动，降低等离子体源的启动功率，提升了等离子体源的使用效率。
综合上述实施例的技术方案，实现了多级射频电离效果，极大地提高了电离效率，可以在真空低气压下实现稳定的气体电离，增强了真空沉积过程的有效反应；实现在低气压下(高真空环境中<E-2Pa)实现稳定的气体电离效果。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种等离子体源，其特征在于，包括：射频线圈及其对应的第一电离室，至少一个感应线圈及其对应的第二电离室，以及供气管路；其中，所述感应线圈串接在射频线圈前端，第一电离室与第二电离室串联连接；
所述供气管路导入气体进入第一电离室，由射频线圈进行电离，未电离的气体进入第二电离室，由所述感应线圈进行二级电离后，输出等离子体；
所述射频线圈产生磁场对进入第一电离室的气体进行电离，同时所述感应线圈通过感应所述射频线圈产生的磁场而产生电感，对进入第二电离室的气体进行电离。
2.根据权利要求1所述的等离子体源，其特征在于，所述第一电离室的截面积小于所述第二电离室的截面积；所述气体进入第一电离室的气体浓度高，进入第二电离室的气体空间体积大。
3.根据权利要求1所述的等离子体源，其特征在于，所述感应线圈包括串联的第一线圈和第二线圈，其中，第一线圈套入所述射频线圈内，所述第二线圈包裹在所述第二电离室外。
4.根据权利要求3所述的等离子体源，其特征在于，所述射频线圈包裹有金属带，用于增强射频线圈的磁场传导效率；
所述第一线圈与射频线圈之间包裹有第一金属圈，用于增强第一线圈的导电性；所述第二电离室与第二线圈还设置有第二金属圈，用于增强第二线圈的导电性；
所述第一金属圈与第二金属圈之间通过金属连接柱进行固定和连接。
5.根据权利要求4所述的等离子体源，其特征在于，所述射频线圈内置有冷却水路，所述感应线圈内置有冷却水路。
6.根据权利要求1所述的等离子体源，其特征在于，在所述离子发射口位置设置有阳极，所述阳极连接阳极电源，用于控制等离子体的发射角度。
7.根据权利要求1所述的等离子体源，其特征在于，还包括连接所述第二电离室的可调长度的腔室结构，用于调整等离子体发射位置。
8.根据权利要求7所述的等离子体源，其特征在于，所述可调长度的腔室结构包括由多个不同长度的绝缘腔室组件，所述绝缘腔室组件通过转接接头连接到所述第二电离室。
9.根据权利要求1-8任一项所述的等离子体源，其特征在于，在离子发射口设置有中和器，用于提供中和电子以降低等离子体源的启动功率。
10.一种等离子体源的启动方法，其特征在于，应用于权利要求9所述的等离子体源，该方法包括：
开启供气管路导入气体；
启动射频电源向所述射频线圈提供射频电源；
启动中和器，利用中和器输出的电子激活等离子体；
在判断等离子体源启动成功后，关闭所述中和器；
控制等离子体源进入正常工作模式。
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- 2021-09-15 CN CN202111081910.3A patent/CN113764252A/zh active Pending
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