CN114360990A - 一种多栅极射频感应耦合离子源 - Google Patents

Abstract

本发明属于离子束控制技术领域，具体涉及一种多栅极射频感应耦合离子源。本发明中，等离子体放电室位于射频耦合天线下面，为由电介质耦合窗、放电室侧壁和矩形栅极引出系统的引出栅构成的立方形腔体，等离子体放电室的外部设有离子源屏蔽水冷外壳和安装背板，等离子体放电室的上部和安装背板之间安装有对称放置的天线卡座，两个天线卡座之间设有电介质耦合窗；射频耦合天线安装在天线卡座上，等离子体放电室侧壁与离子源屏蔽水冷外壳之间设有弹性引线系统，等离子体放电室的底部设有矩形栅极引出系统，安装背板的上部安装有引线卡环。本发明能在较大尺寸范围内产生高均匀性准直离子束流，相比二栅和三栅结构，均匀性有极显著的提高。

Description

一种多栅极射频感应耦合离子源

技术领域

本发明属于离子束控制技术领域，具体涉及一种多栅极射频感应耦合离子源。

背景技术

射频感应耦合离子源的特点是能产生高密度的纯净等离子体。其提供的电流密度和均匀性可用于预清洗、刻蚀、离子束辅助沉积(IBAD)，尤其适合用于光学镀膜和薄膜沉积，包括金属氧化物和其它电介质材料。是目前现代薄膜材料制备、材料表面改性、超大规模集成电路和高精密大型光学元件微细加工领域应用最广的离子源之一。

随着这些应用领域所要求离子源引出截面的不断增大，需要一种大面积高均匀性、多栅极离子束引出系统的离子源，通过增加栅极，主要是各栅极电压之间的匹配，来控制离子横向动量分量，形成准直离子束，并有效地抑制二次电子和中和电子的返流，实现离子束技术在大面积工件上的工业化应用。

束斑增大，大面积和多栅极离子源引出栅极的设计和加工，变得越来越困难。形变控制及热稳定性问题、多栅极之间如何防止安装绝缘子被溅射污染，影响离子源长期稳定运行的问题，急待解决。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术存在的缺陷，提供一种多栅极射频感应耦合离子源，它能在较大尺寸范围内产生高均匀性准直离子束流，相比二栅和三栅结构，均匀性有极显著的提高，并能抑制二次电子和中和电子的返流，减少各种溅射污染，确保离子源长期稳定地运行。

本发明采用的技术方案：

一种多栅极射频感应耦合离子源，包括射频耦合天线、离子源屏蔽水冷外壳、等离子体放电室侧壁、电介质耦合窗、等离子体放电室、弹性引线系统、矩形栅极引出系统、安装背板、天线卡座、引线卡环，等离子体放电室位于射频耦合天线下面，为由电介质耦合窗、放电室侧壁和矩形栅极引出系统的引出栅构成的立方形腔体，等离子体放电室的外部设有离子源屏蔽水冷外壳和安装背板，等离子体放电室的上部和安装背板之间安装有对称放置的天线卡座，两个天线卡座之间设有电介质耦合窗；射频耦合天线安装在天线卡座上，等离子体放电室侧壁与离子源屏蔽水冷外壳之间设有弹性引线系统，等离子体放电室的底部设有矩形栅极引出系统，安装背板的上部安装有引线卡环。

所述电介质耦合窗为陶瓷材料。

所述等离子体放电室侧壁上有进气孔，工作气体通过离子源屏蔽外壳和放电室侧壁进入等离子体放电室。

所述离子源屏蔽水冷外壳上设有电压隔离气路接头，通过三个电压隔离气路接头，向等离子体放电室送气。

所述矩形栅极引出系统包括栅极组件、安装底板、安装板固定件组合和栅极安装板，栅极组件位于安装底板和栅极安装板之间，安装底板和栅极安装板通过安装板固定件组合固定连接。

所述栅极组件包括栅极装配体一、栅极装配体二、栅极总安装组合，栅极装配体一、栅极装配体二通过栅极总安装组合，连接在一起，对中后成为一个整体的五栅极组件。

所述栅极组件前后左右位置却随着温度的变化而伸缩。

所述栅极组件分为五栅极，分别为引出栅、加速栅、聚焦栅、抑制栅、屏蔽栅。

所述栅极之间都隔有陶瓷绝缘子，绝缘子均设有屏蔽帽。

所述电压隔离气路接头包括送气螺旋柱、进气管一、进气管二、屏蔽罩、外罩，气螺旋柱两边与两端进气管一、进气管二相通，外部分别套有屏蔽罩、外罩。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供一种多栅极射频感应耦合离子源，采用真空室内置式或外置式矩形的离子源结构设计，五栅极结构能有效抑制二次电子和中和电子的返流，增加束型的准直性，减少各种溅射污染；

(2)本发明提供一种多栅极射频感应耦合离子源，新型电压隔离气路接头，结构紧密牢固，保证射频感应耦合离子源在给定工作电压、气体流率的条件下，能够抵抗射频干扰，可靠抑制气体击穿放电，确保了离子源的长期稳定运行；

(3)本发明提供一种多栅极射频感应耦合离子源，维护率低、结构易拆卸，具有污染少、感应耦合效率高、束斑大、稳定性好，尤其是均匀性与二栅和三栅结构相比，显著提高，且能在各种惰性氧化或还原性工作气氛下可靠工作等特点；

(4)本发明提供一种多栅极射频感应耦合离子源，尤其适用于对大面积基体或批量布置基体的清洗、刻蚀及离子束溅射沉积和辅助沉积等离子束处理工艺。

附图说明

图1为多栅极射频感应耦合离子源结构示意图。

图2为矩形栅极引出系统结构示意图。

图3为矩形栅极组件结构示意图。

图4为矩形栅极组件局部剖视图。

图5为电压隔离气路接头剖视图。

图6为多栅极圆形射频感应耦合离子源结构示意图。

图7为多栅极圆形射频感应耦合离子源与三栅极离子源实验参数对比。

图中，1-射频耦合天线；2-离子源屏蔽水冷外壳；3-电压隔离气路接头；4-等离子体放电室侧壁；5-电介质耦合窗；6-等离子体放电室；7-弹性引线系统；8-矩形栅极引出系统；9-安装背板；10-天线卡座；11-引线卡环；12-栅极组件；13-安装底板；14-安装板固定件组合；15-栅极安装板；16-栅极装配体一；17-栅极装配体二；18-栅极安装总组合；19-送气螺旋柱；20-进气管一；21-进气管二；22-屏蔽罩；23-外罩。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如图1所示，一种多栅极射频感应耦合离子源，包括射频耦合天线1、离子源屏蔽水冷外壳2、电压隔离气路接头3、等离子体放电室侧壁4、电介质耦合窗5、等离子体放电室6、弹性引线系统7、矩形栅极引出系统8、安装背板9、天线卡座10、引线卡环11、栅极组件12、安装底板13、安装板固定件组合14、栅极安装板15、栅极装配体一16、栅极装配体二17、栅极安装总组合18。

等离子体放电室6位于射频耦合天线1下面，为由电介质耦合窗5、放电室侧壁4和矩形栅极引出系统8的引出栅构成的立方形腔体，等离子体放电室6的外部设有离子源屏蔽水冷外壳2和安装背板9，等离子体放电室6的上部和安装背板 9之间安装有对称放置的天线卡座10，两个天线卡座10之间设有电介质耦合窗5；射频耦合天线1安装在天线卡座10上，等离子体放电室侧壁4与离子源屏蔽水冷外壳2之间设有弹性引线系统7，等离子体放电室6的底部设有矩形栅极引出系统 8，安装背板9的上部安装有引线卡环11。

电介质耦合窗5为陶瓷材料；等离子体放电室侧壁4上有进气孔，工作气体通过离子源屏蔽外壳2和放电室侧壁4进入等离子体放电室6。设有电压隔离气路接头3，其作用是在保证气体供给的同时，防止气体击穿放电。为进一部提高放电室内等离子体的均匀性，通过三个电压隔离气路接头3，向等离子体放电室6送气。

如图2所示，矩形栅极引出系统8包括栅极组件12、安装底板13、安装板固定件组合14和栅极安装板15。

如图3所示，栅极组件12包括栅极装配体一16、栅极装配体二17、栅极总安装组合18。

如图4所示，栅极组件12局部剖视图。

栅极组件12的安装。栅极组件12又分为两个组件，其中一件为栅极装配体一16，另一件为栅极装配体二17。然后两个组件再通过栅极总安装组合18，连接在一起，对中后成为一个整体的五栅极组件。再将整体的栅极组件12，采用“夹心饼干”的方式安装。栅极组件12犹如夹心饼干的中间层，其上下位置被安装支架的两块安装板牢牢夹住，但其前后左右位置却可以随着温度的变化而伸缩，从而防止了栅极因热胀冷缩而造成的热变形。

栅极之间都隔有陶瓷绝缘子，绝缘子均设有屏蔽帽。在栅极安装底板上开有沉孔，底部的绝缘子直接放入沉孔中进行屏蔽。这就保证所有的陶瓷绝缘子都有屏蔽，防止材料溅射造成绝缘子的整个污染，进而确保离子源的长期稳定运行。

五栅极分别为引出栅、加速栅、聚焦栅、抑制栅、屏蔽栅。

引出栅作用：限制等离子体的边界，并构成离子引出电极，引出离子。

加速栅作用：离子在引出栅和加速栅之间受电力线的作用，加速聚焦离子，使其获得很高的速度。

聚焦栅作用：通过施加大的负偏压，进一步控制离子横向动量分量，修正离子束束型，以利于产生准直离子束。

抑制栅作用：调整离子束能量和束形，并抑制二次电子返流。

屏蔽栅作用：调整离子束束形，并抑制中和电子返流。

在离子源运行过程中，各种溅射污染是无法完全避免的。多栅极的安装方式，需要保证每栅之间在较小间距，并有溅射污染的情况下，不因栅极之间的安装陶瓷绝缘子被污染而造成短路,以确保离子源的稳定运行。

如图5所示，电压隔离气路接头包括送气螺旋柱19、进气管一20、进气管二 21、屏蔽罩22、外罩23。电压隔离气路接头，其核心两层为耐高温惰性绝缘材料，中心为送气螺旋柱19，两边与两端气管相通。内部两件精密加工的绝缘体配合紧密，确保气体只能沿规定的螺旋形气路前行，气路的沿长可靠抑制了气体的击穿放电。

如图7所示，该离子源射频功率范围在200-2000W，频率13.56Mhz，离子束能量范围50-1500eV。五栅极结构有效地抑制了二次电子和中和电子的返流，增加了束型的准直性，减少了各种溅射污染，确保了离子源的长期稳定运行。具有均匀性好、维护率低、易整体安装(可内置式或外置式两种安装方式)、结构易拆卸 (放电室和引出系统可单独拆下维护)、寿命长、能量利用率高等特点。

实施例二

如图6所示，一种多栅极圆形射频感应耦合离子源。本实施例与实施例一的区别在于：其为圆形引出系统，适用于小型基体的离子束处理工艺。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种多栅极射频感应耦合离子源，其特征在于：包括射频耦合天线(1)、离子源屏蔽水冷外壳(2)、等离子体放电室侧壁(4)、电介质耦合窗(5)、等离子体放电室(6)、弹性引线系统(7)、矩形栅极引出系统(8)、安装背板(9)、天线卡座(10)、引线卡环(11)，等离子体放电室(6)位于射频耦合天线(1)下面，为由电介质耦合窗(5)、放电室侧壁(4)和矩形栅极引出系统(8)的引出栅构成的立方形腔体，等离子体放电室(6)的外部设有离子源屏蔽水冷外壳(2)和安装背板(9)，等离子体放电室(6)的上部和安装背板(9)之间安装有对称放置的天线卡座(10)，两个天线卡座(10)之间设有电介质耦合窗(5)；射频耦合天线(1)安装在天线卡座(10)上，等离子体放电室侧壁(4)与离子源屏蔽水冷外壳(2)之间设有弹性引线系统(7)，等离子体放电室(6)的底部设有矩形栅极引出系统(8)，安装背板(9)的上部安装有引线卡环(11)。

2.根据权利要求1所述的一种多栅极射频感应耦合离子源，其特征在于：所述电介质耦合窗(5)为陶瓷材料。

3.根据权利要求2所述的一种多栅极射频感应耦合离子源，其特征在于：所述等离子体放电室侧壁(4)上有进气孔，工作气体通过离子源屏蔽外壳(2)和放电室侧壁(4)进入等离子体放电室(6)。

4.根据权利要求3所述的一种多栅极射频感应耦合离子源，其特征在于：所述离子源屏蔽水冷外壳(2)上设有电压隔离气路接头(3)，通过三个电压隔离气路接头(3)，向等离子体放电室(6)送气。

5.根据权利要求4所述的一种多栅极射频感应耦合离子源，其特征在于：所述矩形栅极引出系统(8)包括栅极组件(12)、安装底板(13)、安装板固定件组合(14)和栅极安装板(15)，栅极组件(12)位于安装底板(13)和栅极安装板(15)之间，安装底板(13)和栅极安装板(15)通过安装板固定件组合(14)固定连接。

6.根据权利要求5所述的一种多栅极射频感应耦合离子源，其特征在于：所述栅极组件(12)包括栅极装配体一(16)、栅极装配体二(17)、栅极总安装组合(18)，栅极装配体一(16)、栅极装配体二(17)通过栅极总安装组合(18)，连接在一起，对中后成为一个整体的五栅极组件。

7.根据权利要求6所述的一种多栅极射频感应耦合离子源，其特征在于：所述栅极组件(12)前后左右位置却随着温度的变化而伸缩。

8.根据权利要求7所述的一种多栅极射频感应耦合离子源，其特征在于：所述栅极组件(12)分为五栅极，分别为引出栅、加速栅、聚焦栅、抑制栅、屏蔽栅。

9.根据权利要求8所述的一种多栅极射频感应耦合离子源，其特征在于：所述栅极之间都隔有陶瓷绝缘子，绝缘子均设有屏蔽帽。

10.根据权利要求9所述的一种多栅极射频感应耦合离子源，其特征在于：所述电压隔离气路接头(3)包括送气螺旋柱(19)、进气管一(20)、进气管二(21)、屏蔽罩(22)、外罩(23)，气螺旋柱(19)两边与两端进气管一(20)、进气管二(21)相通，外部分别套有屏蔽罩(22)、外罩(23)。

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