CN114302546A - 一种高效率低污染等离子体源 - Google Patents

Abstract

本发明属于等离子体源技术领域，具体涉及一种高效率低污染等离子体源，包括同轴放置的阴极、水冷阳极和磁轭底座，以及设于磁轭底座中心处的内磁钢、套装在内磁钢外的内屏蔽、磁轭底座的外沿上方固定安装的外磁钢和外屏蔽；所述的磁轭底座位于阴极内；所述的水冷阳极与阴极绝缘连接；所述的内磁钢和外磁钢磁力方向相反；所述的阴极、水冷阳极之间连接放电电源A。等离子体源的内、外磁极处于悬浮电位或相对于工件或真空室地分别施加不同偏压的方式，通过设计放电通道，使其电势分布，因此可以降低和控制放电等离子体对壁自溅射，从而达到提高放电电流利用率和引出离子能量目的。

Description

一种高效率低污染等离子体源

技术领域

本发明属于等离子体源技术领域，具体涉及一种高效率低污染等离子体源。

背景技术

闭合漂移离子源作为一种低能大束流(电压0-1000eV)离子源，具有束流密度高(≥2mA/mm²))、离子能量范围宽(放电电压30％-100％)，结构简单、维护成本低，并且适合氧气、氮气、乙炔以及腐蚀性气体等特点，广泛应用于离子束刻蚀、清洗、活化和辅助镀膜等工艺。

该离子源主要由阳极、阴极和磁钢等构成，电子在阴极和阳极电压的作用下，沿磁力线向阳极运动，由于在阳极表面附近区域存在几乎是正交的磁力线和电力线，在这种交叉电磁场作用下，电子绕磁力线运动并在阳极表面附近作角向漂移，形成环形的霍尔电流。电子的这种运动方式增加了电子与中性气体的碰撞几率，提高了气体的电离率，从而在阳极表面附近区域形成稳定的放电等离子体，等离子体中的离子在阳极和阴极电位差以及霍尔电流的共同加速作用下，从离子源内引出形成离子束。常用的霍尔离子源直径50mm-290mm，放电电压工作范围80-1000V，放电电流0.1-15A，平均离子能量为放电电压0.7倍，引出离子束流为放电电流的0.7-0.8倍。

在霍尔离子源应用过程中发现：霍尔离子源磁极和侧壁腐蚀比较严重，这不仅影响霍尔离子源性能和使用寿命，而且溅射杂质在真空镀膜和离子束刻蚀过程中会产生污染，影响器件加工质量。影响壁面腐蚀的原因主要是轰击壁面的高能离子，分析产生内外磁极腐蚀的原因是由于内、外磁极常作为霍尔离子源的阴极或接地，这种结构在等离子体放电过程中，放电通道内等离子体离子存在从阳极指向内、外磁极运动分量，并且等离子体同器壁相互作用，形成鞘层、预鞘层结构，这都导致了部分离子对放电通道壁及阴极轰击，造成放电通道壁和阴极溅射侵蚀(称为“自溅射”现象)。

为降低放电离子对磁极的溅射刻蚀，目前常采用增加额外磁场线圈，通过优化磁场位型来控制通道内离子束流特性，从而达到降低轰击到壁面的离子通量目的，这种方式增加了霍尔离子源结构复杂度和控制难度。另一种通过延长阳极结构，将阳极延长到磁极结构外来降低离子对磁极或侧壁的轰击，但阳极层离子源虽能大幅降低磁极的刻蚀，但其工作放电电压区间很小(300-600V)，影响霍尔离子源应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效率低污染等离子体源，其效率较高(相对于传统霍尔离子源，其离子束引出效率≥90％)，溅射污染低(自溅射降低80％以上)。

本发明的技术方案如下：

一种高效率低污染等离子体源，包括同轴放置的阴极、水冷阳极和磁轭底座，以及设于磁轭底座中心处的内磁钢、套装在内磁钢外的内屏蔽、磁轭底座的外沿上方固定安装的外磁钢和外屏蔽；所述的磁轭底座位于阴极内；所述的水冷阳极与阴极绝缘连接；所述的内磁钢和外磁钢磁力方向相反；所述的阴极、水冷阳极之间连接放电电源A。

所述磁轭底座上方设有内磁极和外磁极；所述的水冷阳极和磁轭底座绝缘连接；所述的内磁极通过内屏蔽和内磁钢固定安装；所述的外磁极通过外磁钢和外屏蔽固定安装；所述的内磁极和外磁极的下表面均高于水冷阳极的上表面。

所述的内屏蔽为筒形，内屏蔽内部为内磁钢，上方固定安装内磁极；所述的磁轭底座的外沿上方固定安装外磁钢和外屏蔽、外磁钢和外屏蔽上方固定安装水平放置的环板形的外磁极。

所述的水冷阳极为筒状结构，筒壁上部的截面为矩形，且筒壁上部壁厚大下部壁厚。

所述的水冷阳极的上表面加工截面为倒置梯形的圆环槽，梯形两腰所在的两个锥面的倾斜方向相反；所述的阴极上端面中心加工圆形开口，开口端面为倾斜锥面；所述的外磁极内侧端面为倾斜锥面；所述的内磁极外侧端面为锥面，其倾斜方向与上述阴极和外磁极内侧端面倾斜方向相反；所述的阴极、外磁极的内侧端面与水冷阳极的圆环槽的外侧锥面为同一锥面；所述的内磁极外侧端面与水冷阳极的圆环槽的内侧锥面为同一锥面。

所述的水冷阳极的上表面加工截面有截面为V型的圆环槽，截面V型两腰所在的两个锥面的倾斜方向相反；所述的阴极上端面中心加工圆形开口，开口端面为倾斜锥面；所述的外磁极内侧端面为倾斜锥面；所述的内磁极外侧端面为锥面，其倾斜方向与上述阴极和外磁极内侧端面倾斜方向相反；所述的阴极、外磁极的内侧端面与水冷阳极的V型圆环槽的外侧锥面为同一锥面；所述的内磁极外侧端面与水冷阳极的V型圆环槽的内侧锥面为同一锥面。

所述的水冷阳极、磁轭底座之间连接放电电源B。

所述的内磁极下表面距水冷阳极上表面的垂直距离D_内、阳，需满足：2mm＜D_内、阳＜15mm；

所述的外磁极下表面距离水冷阳极上表面的垂直距离D_外、阳，需满足：2mm＜D_外、阳＜20mm。

内磁极和外磁极为相同电位或悬浮电位。

所述的阴极上中心处安装高压绝缘气路，所述的内磁极上设有向等离子体放电通道内供气的匀气气路；所述的匀气气路与所述的高压绝缘气路相通。

所述的匀气气路包括内磁极下部分的竖直通道和位于内磁极上部分的水平通道，两部分的通道相通；所述的内磁极下部分的竖直通道与下方的高压绝缘气路连通。

所述的水冷阳极内设有水冷管路。

所述的水冷阳极的上部为内部中空的扁圆筒，下部为内部中空的圆筒；两部分内腔相通，且位于阴极内部，与阴极同轴放置，水冷阳极的下部通过绝缘子实现与阴极底部的绝缘安装。

所述的内磁钢、外磁钢、内屏蔽、外屏蔽全部位于水冷阳极上部中空的扁圆筒的下方，其中内磁钢、外磁钢、磁轭底座构成磁场回路。

所述的阴极侧壁上设有高压绝缘气路，其通过阴极侧壁向水冷阳极的表面供气。

所述的水冷阳极内设有水冷管路，其由与水冷阳极下部同轴的圆筒和上方向径向延伸的径向水平圆环板组成，径向水平圆环板位于水冷阳极上部空腔内，与上部扁圆筒的上下板面均具有间隙。

本发明的显著效果如下：等离子体源的内、外磁极处于悬浮电位或相对于工件或真空室地分别施加不同偏压的方式，通过设计放电通道，使得放电通道内电势分散布置，能够降低和控制放电等离子体对壁自溅射，从而达到提高放电电流利用率和引出离子能量目的。其结构简单、寿命长、可靠性高、溅射污染低、束流引出效率高等特点，可用于离子束清洗、刻蚀、活化和辅助沉积镀膜等工艺。

通过水冷阳极连接放电电源正极，放电电源负极连接到阴极，内、外磁极悬浮或内外磁极相对于工件或真空室地分别施加不同偏压的方式，降低内、外磁极和阳极之间电势差，并且采用短放电通道设计，使轰击到内外磁极上离子的能量及束流强度降低，从而实现降低放电通道内“自溅射”目的，提高了束流引出效率和束流中离子能量。

附图说明

图1为一种高效率低污染等离子体源的一种实施例示意图；

图2为一种高效率低污染等离子体源的另一种实施例方式示意图；

图3为图1中的匀气气路和高压绝缘气路示意图；

图中：1.阴极；2.外磁极；3.内磁极；4.水冷阳极；5.水冷通道；6.外磁钢；7.磁轭底座；8.绝缘子；9.内屏蔽；10.内磁钢；11.高压绝缘气路；12.外屏蔽；13.放电电源A；14.放电电源B；15.匀气气路。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。附图和描述都将视为说明性的而不是限制性的，本发明不限于公开的具体实施例，依据本发明精神所做的各种改进，都包含在本发明权利要求书所要求保护范围内。

如图1所示，包括同轴放置的阴极1和磁轭底座7、内磁极3、内屏蔽9、内磁钢10、外磁钢6、外屏蔽12，以及与阴极1和磁轭底座7绝缘连接的水冷阳极4；

其中，阴极1的底部加工安装槽，用于安装绝缘子8和水冷阳极4；

磁轭底座7位于阴极1内，且在对应的位置加工安装槽，使得上述绝缘子和水冷阳极4穿过该安装槽；

绝缘子8的作用就是使得水冷阳极4与磁轭底座7和阴极1绝缘；

内屏蔽9为筒形安装在磁轭底座7中心上方，内屏蔽9内部为内磁钢10，上方固定安装内磁极3；

高压绝缘气路11安装在磁轭底座7下方，且下端穿过阴极1中心的安装孔；

磁轭底座7的外沿上方固定安装外磁钢6和外屏蔽12、外磁钢6和外屏蔽12上方固定安装水平放置的环板形的外磁极2；

水冷阳极4的上表面加工截面为倒置梯形的圆环槽，梯形两腰所在的两个锥面的倾斜角度(锥面锥角)不同，方向相反；

上述的阴极1上端面中心加工圆形开口，开口端面为倾斜锥面；

上述的外磁极2内侧端面为倾斜锥面；

上述的内磁极3的上部分为圆盘，圆盘外侧面为锥面，其倾斜方向与上述阴极1和外磁极2内侧端面倾斜方向相反；内磁极3的下部分位于内磁钢10内；

另外，阴极1、外磁极2的内侧端面与上述水冷阳极4的圆环槽的外侧锥面为同一锥面；

同时，内磁极3外侧端面与上述水冷阳极4的圆环槽的内侧锥面为同一锥面；

内磁钢10和外磁钢6磁力方向相反；

上述阴极1、外磁极2、水冷阳极4、内磁极3中所有锥面围成等离子体放电通道。

内磁极3、外磁极2、外磁钢6、内磁钢10和磁轭底座7在放电通道内形成磁回路；

内磁极3上有用于向等离子体放电通道内供气的匀气气路15，如图3所示；匀气气路15包括内磁极3下部分的竖直通道和位于内磁极3上部分的水平通道，两部分的通道相通；

其中，内磁极3下部分的竖直通道与下方的高压绝缘气路11连通；

在上部分通道侧壁上即内磁极3的上部分侧壁上加工通气孔，通过通气孔向等离子体放电通道内供气。

上述水冷阳极4的倒置梯形槽也可以替换为：平面(不存在槽)、凹槽(截面为矩形)或V槽(截面为倒置三角形)；无论哪一种，水冷阳极4的内部设有水冷管路5，且水冷阳极4由不锈钢、钼、钨或石墨制成。

在实施例1中，只在阴极1、水冷阳极4之间连接放电电源A13；

在实施例2中，除了连接上述放电电源A13之外，在水冷阳极4、磁轭底座7之间连接放电电源B14；

其中水冷阳极4连接所有电源的正极，阴极1连接所有电源的负极；

内磁极3下表面距水冷阳极4上表面的垂直距离D_内、阳，需满足：2mm＜D_内、阳＜15mm；

外磁极2下表面距离水冷阳极4上表面的垂直距离D_外、阳，需满足：2mm＜D_外、阳＜20mm。

内屏蔽9、外屏蔽12由不锈钢、或陶瓷等材料制成。外屏蔽12、磁轭底座7与外磁极2连接固定于一体，内屏蔽9、磁轭底座2与内磁极3连接固定于一体。

内磁极3和外磁极2可以处于相同电位，也可以通过阳极电极绝缘子8隔离。内磁极3、和外磁极2处于悬浮电位。

水冷阳极4表面的磁场强度通过改变磁钢数目调节阳极附近磁场强度，其表面磁场强度可调节范围为150-1500G。

放电电源A13为直流放电电源或脉冲放电电源13，电源电压为150-3000V。

放电电源14为直流放电电源或脉冲放电电源，电源电压为50-1000V。

实施例1和2中的水冷阳极4为具有一定厚度的筒形结构，其筒形上端部分厚度增加，上表面加工上述的倒梯形槽、凹槽或V槽；

如图2所示，实施例3中的水冷阳极4的上部为内部中空的扁圆筒，下部为内部中空的圆筒；两部分内腔相通，且位于阴极1内部，与阴极1同轴放置，水冷阳极4的下部通过绝缘子8实现与阴极1底部的绝缘安装；

与实施例1和2相同，磁轭底座7同轴位于阴极1内部，且其外沿上方固定安装外磁钢6和外屏蔽12；并且在阴极1、水冷阳极4之间连接放电电源A13；

磁轭底座7中心固定安装筒形的内屏蔽9和内磁钢10；使得上述的水冷阳极2的下部穿过内屏蔽9和内磁钢10，同时穿过上述磁轭底座7中心的安装孔，向下与阴极1底部绝缘安装；

在水冷阳极4内部的空腔内固定安装隔板，形成内置的水冷通道5；

内磁钢10、外磁钢6、内屏蔽9、外屏蔽12全部位于水冷阳极4下面，

水冷阳极2为一个矩形或圆形结构，内置水冷通道5。内磁钢10、外磁钢6、内屏蔽9、外屏蔽12全部位于水冷阳极4上部中空的扁圆筒的下方，其中内磁钢10、外磁钢6、磁轭底座7构成磁场回路。

高压绝缘气路11安装在阴极1的侧壁上，通过阴极1侧壁向水冷阳极4的表面供气。

Claims (17)

1.一种高效率低污染等离子体源，其特征在于：包括同轴放置的阴极(1)、水冷阳极(4)和磁轭底座(7)，以及设于磁轭底座(7)中心处的内磁钢(10)、套装在内磁钢(10)外的内屏蔽(9)、磁轭底座(7)的外沿上方固定安装的外磁钢(6)和外屏蔽(12)；所述的磁轭底座(7)位于阴极(1)内；所述的水冷阳极(4)与阴极(1)绝缘连接；所述的内磁钢(10)和外磁钢(6)磁力方向相反；所述的阴极(1)、水冷阳极(4)之间连接放电电源A(13)。

2.如权利要求1所述的一种高效率低污染等离子体源，其特征在于：所述磁轭底座(7)上方设有内磁极(3)和外磁极(2)；所述的水冷阳极(4)和磁轭底座(7)绝缘连接；所述的内磁极(3)通过内屏蔽(9)和内磁钢(10)固定安装；所述的外磁极(2)通过外磁钢(6)和外屏蔽(12)固定安装；所述的内磁极(3)和外磁极(2)的下表面均高于水冷阳极(4)的上表面。

3.如权利要求2所述的一种高效率低污染等离子体源，其特征在于：所述的内屏蔽(9)为筒形，内屏蔽(9)内部为内磁钢(10)，上方固定安装内磁极(3)；所述的磁轭底座(7)的外沿上方固定安装外磁钢(6)和外屏蔽(12)、外磁钢(6)和外屏蔽(12)上方固定安装水平放置的环板形的外磁极(2)。

4.如权利要求3所述的一种高效率低污染等离子体源，其特征在于：所述的水冷阳极(4)为筒状结构，筒壁上部的截面为矩形，且筒壁上部壁厚大下部壁厚。

5.如权利要求4所述的一种高效率低污染等离子体源，其特征在于：所述的水冷阳极(4)的上表面加工截面为倒置梯形的圆环槽，梯形两腰所在的两个锥面的倾斜方向相反；所述的阴极(1)上端面中心加工圆形开口，开口端面为倾斜锥面；所述的外磁极(2)内侧端面为倾斜锥面；所述的内磁极(3)外侧端面为锥面，其倾斜方向与上述阴极(1)和外磁极(2)内侧端面倾斜方向相反；所述的阴极(1)、外磁极(2)的内侧端面与水冷阳极(4)的圆环槽的外侧锥面为同一锥面；所述的内磁极(3)外侧端面与水冷阳极(4)的圆环槽的内侧锥面为同一锥面。

6.如权利要求4所述的一种高效率低污染等离子体源，其特征在于：所述的水冷阳极(4)的上表面加工截面有截面为V型的圆环槽，截面V型两腰所在的两个锥面的倾斜方向相反；所述的阴极(1)上端面中心加工圆形开口，开口端面为倾斜锥面；所述的外磁极(2)内侧端面为倾斜锥面；所述的内磁极(3)外侧端面为锥面，其倾斜方向与上述阴极(1)和外磁极(2)内侧端面倾斜方向相反；所述的阴极(1)、外磁极(2)的内侧端面与水冷阳极(4)的V型圆环槽的外侧锥面为同一锥面；所述的内磁极(3)外侧端面与水冷阳极(4)的V型圆环槽的内侧锥面为同一锥面。

7.如权利要求2所述的一种高效率低污染等离子体源，其特征在于：所述的水冷阳极(4)、磁轭底座(7)之间连接放电电源B(14)。

8.如权利要求2所述的一种高效率低污染等离子体源，其特征在于：所述的内磁极(3)下表面距水冷阳极(4)上表面的垂直距离D_内、阳，需满足：2mm＜D_内、阳＜15mm。

9.如权利要求2所述的一种高效率低污染等离子体源，其特征在于：所述的外磁极(2)下表面距离水冷阳极(4)上表面的垂直距离D_外、阳，需满足：2mm＜D_外、阳＜20mm。

10.如权利要求2所述的一种高效率低污染等离子体源，其特征在于：内磁极(3)和外磁极(2)为相同电位或悬浮电位。

11.如权利要求2所述的一种高效率低污染等离子体源，其特征在于：所述的阴极(1)上中心处安装高压绝缘气(11)，所述的内磁极(3)上设有向等离子体放电通道内供气的匀气气路(15)；所述的匀气气路(15)与所述的高压绝缘气路(11)相通。

12.如权利要求11所述的一种高效率低污染等离子体源，其特征在于：所述的匀气气路(15)包括内磁极(3)下部分的竖直通道和位于内磁极(3)上部分的水平通道，两部分的通道相通；所述的内磁极(3)下部分的竖直通道与下方的高压绝缘气路(11)连通。

13.如权利要求2所述的一种高效率低污染等离子体源，其特征在于：所述的水冷阳极(4)内设有水冷管路(5)。

14.如权利要求1所述的一种高效率低污染等离子体源，其特征在于：所述的水冷阳极(4)的上部为内部中空的扁圆筒，下部为内部中空的圆筒；两部分内腔相通，且位于阴极(1)内部，与阴极(1)同轴放置，水冷阳极(4)的下部通过绝缘子8实现与阴极(1)底部的绝缘安装。

15.如权利要求14所述的一种高效率低污染等离子体源，其特征在于：所述的内磁钢(10)、外磁钢(6)、内屏蔽(9)、外屏蔽(12)全部位于水冷阳极(4)上部中空的扁圆筒的下方，其中内磁钢(10)、外磁钢(6)、磁轭底座(7)构成磁场回路。

16.如权利要求14所述的一种高效率低污染等离子体源，其特征在于：所述的阴极(1)侧壁上设有高压绝缘气路(11)，其通过阴极(1)侧壁向水冷阳极(4)的表面供气。

17.如权利要求14所述的一种高效率低污染等离子体源，其特征在于：所述的水冷阳极(4)内设有水冷管路(5)，其由与水冷阳极(4)下部同轴的圆筒和上方向径向延伸的径向水平圆环板组成，径向水平圆环板位于水冷阳极(4)上部空腔内，与上部扁圆筒的上下板面均具有间隙。

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