CN114156157A - 一种等离子体产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种等离子体产生装置，涉及等离子体技术领域，包括第一栅极、第二栅极、磁场产生部件；第一栅极与第二栅极平行设置，且第一栅极与第二栅极之间间隔第一距离；第一距离为德拜长度量级的距离；第一栅极与电源组件连接；磁场产生部件用于产生平行于第一栅极的磁场；工作时，电源组件向第一栅极施加射频电压，使得第一栅极与第二栅极之间产生第一交变电场，在第一交变电场内的电子经过共振加速后进入到磁场，进而在磁场中回旋返回至第一交变电场继续进行共振加速，以产生等离子体；第一交变电场的周期与磁场的周期相同。本发明在低气压下放电效率高，且能够产生径向均匀性良好的等离子体。

Description

一种等离子体产生装置
技术领域
本发明涉及等离子体技术领域，特别是涉及一种等离子体产生装置。
背景技术
现有的等离子体刻蚀工艺中，通常在低气压(<10mTorr)下产生定向离子束。但是，在低气压下，传统的容性耦合等离子体的功率耦合效率低，所产生的等离子体密度低、鞘层厚。并且，射频振荡的容性鞘层会在等离子体内部激发高次电磁波，进而导致等离子体径向均匀性不够理想。
因此，亟需一种新型的等离子体产生装置，来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种等离子体产生装置，在低气压下放电效率高，且能够产生径向均匀性良好的等离子体。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种等离子体产生装置，包括第一栅极、第二栅极、磁场产生部件；
所述第一栅极与所述第二栅极平行设置，且所述第一栅极与所述第二栅极之间间隔第一距离；所述第一距离为德拜长度量级的距离；
所述第一栅极与电源组件连接；
所述磁场产生部件用于产生平行于所述第一栅极的磁场；
工作时，所述电源组件向所述第一栅极施加射频电压，使得所述第一栅极与所述第二栅极之间产生第一交变电场，在所述第一交变电场内的电子经过共振加速后进入到所述磁场，进而在所述磁场中回旋返回至所述第一交变电场继续进行共振加速，以产生等离子体；所述第一交变电场的周期与所述磁场的周期相同。
可选地，所述磁场产生部件至少包括磁铁或者线圈。
可选地，所述电源组件施加在所述第一栅极上的射频电压的频率为
Figure BDA0003387150650000011
其中，frf为所述电源组件施加在所述第一栅极上的射频电压的频率，e为元电荷，B为所述磁场产生部件产生的磁场的磁感应强度，me为电子质量。
可选地，所述等离子体产生装置还包括腔体；
所述第一栅极和所述第二栅极设置在所述腔体内，所述磁场产生部件设置在所述腔体外。
可选地，所述腔体设置有泵气口；所述磁场产生部件的数量为多个，且多个所述磁场产生部件对称设置在所述泵气口的两侧。
可选地，所述磁场产生部件的数量为两个。
可选地，所述第一栅极为功率栅极，所述第二栅极接地。
可选地，所述电源组件包括匹配网络和射频电源。
所述第一栅极通过所述匹配网络与所述射频电源连接。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
电源组件向第一栅极施加射频电压，使得第一栅极与第二栅极之间产生交变电场，且交变电场的周期与磁场产生部件产生的磁场的周期相同，从而使得在交变电场内的电子实现共振加速，并进入到磁场中经过回旋运动返回至交变电场，继续进行共振加速，直至加速后的电子产生等离子体。本发明通过电子不断进行回旋运动和共振加速，使得即便在较低射频电压下，也能快速达到电离能阈值，从而大大提高了电离效率，并且装置简单、成本低。
本发明还通过将第一栅极与第二栅极间隔的距离设置为德拜长度量级的距离，使得栅极中间不会存在屏蔽鞘层，也就不会受屏蔽鞘层强烈震荡引起的高次谐波影响，使得最终产生的等离子体具有良好的径向均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明等离子体产生装置的结构示意图；
图2为本发明等离子体产生装置的电子加速轨迹示意图；
图3为本发明等离子体产生装置的电子能量概率分布图。
符号说明：
1—第一栅极，2—第二栅极，3—磁场产生部件，4—腔体，5—泵气口，6—匹配网络，7—射频电源，8—静磁场，9—电场，10—等离子体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种等离子体产生装置，利用匀强磁场使电子作回旋运动，同时在第一栅极与第二栅极之间产生射频电场来加速电子，进而电离产生等离子体，装置简单成本低，且大大提高了电离效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种等离子体产生装置，包括第一栅极1、第二栅极2、磁场产生部件3；所述第一栅极1与所述第二栅极2平行设置，且所述第一栅极1与所述第二栅极2之间间隔第一距离；所述第一距离为德拜长度量级的距离；所述第一栅极1与电源组件连接；所述磁场产生部件3用于产生平行于所述第一栅极1的磁场。
工作时，所述电源组件向所述第一栅极1施加射频电压，使得所述第一栅极1与所述第二栅极2之间产生第一交变电场，在所述第一交变电场内的电子经过共振加速后进入到所述磁场，进而在所述磁场中回旋返回至所述第一交变电场继续进行共振加速，以产生等离子体10；所述第一交变电场的周期与所述磁场的周期相同。
具体地，所述磁场产生部件3至少包括磁铁或者线圈。所述磁铁或线圈能够产生平行于栅极的匀强磁场。所述电源组件包括匹配网络6和射频电源7。所述第一栅极1通过所述匹配网络6与所述射频电源7连接。
所述等离子体产生装置还包括腔体4，腔体4的内部为工作气体；所述第一栅极1和所述第二栅极2设置在所述腔体4内，所述磁场产生部件3设置在所述腔体外；并且，第二栅极2还与所述腔体4共同接地。
进一步地，所述第一栅极为功率栅极。
所述腔体4设置有泵气口5；所述磁场产生部件3的数量为多个，且多个所述磁场产生部件3对称设置在所述泵气口5的两侧。优选地，所述磁场产生部件的数量为两个，两个磁场产生部件具体为两组亥姆霍兹线圈(螺旋管线圈)。
结合图2所示的电子加速轨迹图，本发明等离子体产生装置的工作原理如下：射频电源7在平行设置的第一栅极1与第二栅极2之间产生射频交变的电场9，在腔体4外部通过电感线圈产生稳恒的静磁场8，静磁场8的磁力线覆盖真空的腔体4。腔体4内部的电子被静磁场8约束在栅极附近绕磁力线作周期性回旋运动，并在电场9中获得加速，进而击穿工作气体形成稳定的辉光放电，产生等离子体。
通过调制静磁场8或者射频频率大小，使得回旋电子与栅极之间的电场发生同步共振，即：使得所述第一交变电场的周期与所述磁场的周期相同，之后电子会在交变电场中持续加速，从而大幅提高电离效率，实现低气压的高密度放电。
优选地，所述电源组件施加在所述第一栅极上的射频电压的频率为
Figure BDA0003387150650000041
其中，frf为所述电源组件施加在所述第一栅极上的射频电压的频率，e为元电荷，B为所述磁场产生部件产生的磁场的磁感应强度，单位为高斯(G)，me为电子质量。
图3为等离子体产生装置的电子能量概率分布图，根据图3可直观看出等离子体产生装置在电子加速过程中存在大量高能电子，这些高能电子会贡献大量电离，从而提高放电效率。
此外，本发明提供的等离子体产生装置中，两个平行放置的栅极间距很小，在等离子体德拜长度量级(毫米量级)，这样的结构具有以下优点：1)由于将第一栅极与第二栅极间隔的距离设置为德拜长度量级的距离，使得栅极中间不会存在屏蔽鞘层，电子可以在栅极中间持续加速，电子获得的能量与施加的电压相当，加速性能好；2)栅极间距很小，电子穿越栅极的时间远远小于电子的回旋周期，可以忽略，从而保证电子实际的运动周期与射频周期始终是匹配的。
相对于现有技术，本发明还具有以下优点：
(1)本发明等离子体产生装置的结构简单，电子的加速性能好，所需的加载在栅极的射频电压低。对于仅为10V的电压，仅需1～2射频周期的加速，电子就可以达到电离能阈值，进而发生电离碰撞，因此有助于低气压下电子密度的提升；采用低射频电压对功率源以及匹配电路较为友好。
(2)本发明等离子体产生装置所需的射频电压的射频频率范围内(13.56～60MHz)，匹配的磁感应强度仅为4.84～21.4G，不会对等离子的动力学行为和等离子体分布的均匀性产生较大影响。
(3)本发明等离子体产生装置相对于传统的容性耦合等离子体，不存在由等离子体容性鞘层强烈振荡引起的高次谐波，因此有望提高等离子体的径向均匀性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种等离子体产生装置，其特征在于，所述等离子体产生装置包括第一栅极、第二栅极、磁场产生部件；
所述第一栅极与所述第二栅极平行设置，且所述第一栅极与所述第二栅极之间间隔第一距离；所述第一距离为德拜长度量级的距离；
所述第一栅极与电源组件连接；
所述磁场产生部件用于产生平行于所述第一栅极的磁场；
工作时，所述电源组件向所述第一栅极施加射频电压，使得所述第一栅极与所述第二栅极之间产生第一交变电场，在所述第一交变电场内的电子经过共振加速后进入到所述磁场，进而在所述磁场中回旋返回至所述第一交变电场继续进行共振加速，以产生等离子体；所述第一交变电场的周期与所述磁场的周期相同。
2.根据权利要求1所述的等离子体产生装置，其特征在于，所述磁场产生部件至少包括磁铁或者线圈。
3.根据权利要求1所述的等离子体产生装置，其特征在于，所述电源组件施加在所述第一栅极上的射频电压的频率为
Figure FDA0003387150640000011
其中，frf为所述电源组件施加在所述第一栅极上的射频电压的频率，e为元电荷，B为所述磁场产生部件产生的磁场的磁感应强度，me为电子质量。
4.根据权利要求1所述的等离子体产生装置，其特征在于，所述等离子体产生装置还包括腔体；
所述第一栅极和所述第二栅极设置在所述腔体内，所述磁场产生部件设置在所述腔体外。
5.根据权利要求4所述的等离子体产生装置，其特征在于，所述腔体设置有泵气口；所述磁场产生部件的数量为多个，且多个所述磁场产生部件对称设置在所述泵气口的两侧。
6.根据权利要求5所述的等离子体产生装置，其特征在于，所述磁场产生部件的数量为两个。
7.根据权利要求1所述的等离子体产生装置，其特征在于，所述第一栅极为功率栅极，所述第二栅极接地。
8.根据权利要求1所述的等离子体产生装置，其特征在于，所述电源组件包括匹配网络和射频电源。
所述第一栅极通过所述匹配网络与所述射频电源连接。
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