CN114724912A - 一种线圈结构能随放电腔结构进行变化的离子源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种线圈结构能随放电腔结构进行变化的离子源，包括从外至内依次同轴设置的离子源腔、线圈支撑、线圈和放电腔本体；放电腔本体包括放电腔顶部、放电腔中部和放电腔底部；放电腔顶部为中空圆环；放电腔底部为中心设有进气孔的圆盘；放电腔中部包括上端直筒和下端Dome型筒；线圈支撑的外圈安装在离子源腔的内壁面，线圈支撑的内壁面形状与放电腔本体的形状相同；线圈安装在线圈支撑内，且包括筒形螺旋线圈和Dome型线圈；筒形螺旋线圈的位置与上端直筒的位置相对应，Dome型线圈与下端Dome型筒的位置相对应；每层线圈到放电腔本体外壁面的距离均相等。本发明将盘香形ICP源与筒状ICP源相结合，能够分段调节放电腔本体内的等离子体密度，改善刻蚀均匀性。

Description

一种线圈结构能随放电腔结构进行变化的离子源
技术领域
本发明涉及离子束刻蚀领域，特别是一种线圈结构能随放电腔结构进行变化的离子源。
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。
射频感应耦合等离子体(RFICP)源可以在兆赫兹范围内产生共振，并且在低气压下可以有效地产生等离子体，并将能量高效的传递给等离子体，由于其结构简单，能产生高密度的纯净等离子体，使用寿命长、以及性能价格比好等优点，所以在近年发展很快，目前使用的射频ICP源主要是圆筒形的，如图1所示，射频ICP源的射频线圈绕在电绝缘的石英放电室外边，当通过匹配网络将射频功率加到线圈上时，线圈中就有射频电流通过，于是产生射频磁通，并且在放电室内部沿着轴向感应出射频电场，其中的电子被电场加速，从而产生等离子体，同时线圈的能量被耦合到等离子体中。
由于射频ICP源为圆筒形，当射频电源加载在射频线圈上时，由于电流的趋肤效应，电流主要在放电腔腔壁内流过，在趋肤层内逐渐衰减，故放电腔内的等离子体密度一般呈现两边高，中间低的趋势，如图2中的实线所示。受射频功率和工作压力的影响，反应腔内的等离子体密度分布也会出现马鞍形趋势（图2虚线表示），由于等离子体密度分布不均匀，导致刻蚀速率不均，影响刻蚀均匀性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种线圈结构能随放电腔结构进行变化的离子源，该线圈结构能随放电腔结构进行变化的离子源将盘香形ICP源与筒状ICP源相结合，能够分段调节放电腔本体内的等离子体密度，改善刻蚀均匀性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种线圈结构能随放电腔结构进行变化的离子源，包括从外至内依次同轴设置的离子源腔、线圈支撑、线圈和放电腔本体。
放电腔本体包括依次连接的放电腔顶部、放电腔中部和放电腔底部。
放电腔顶部为中空圆环，且位于等离子出口侧。
放电腔底部为中心设有进气孔的圆盘。其中，进气孔用于通入待电离气体。中空圆环的圆心和圆盘的圆心均位于放电腔本体的中心轴线上。
放电腔中部包括依次连接的上端直筒和下端Dome型筒。上端直筒的顶端与放电腔顶部依次连接，下端Dome型筒的底部与放电腔底部的外缘依次连接。
线圈支撑的外圈安装在离子源腔的内壁面，线圈支撑的内壁面形状与放电腔本体的形状相同。
线圈安装在线圈支撑内，线圈两端分别与射频源相连接。线圈包括筒形螺旋线圈和Dome型线圈。其中，筒形螺旋线圈的位置与上端直筒的位置相对应，Dome型线圈与下端Dome型筒的位置相对应。每层线圈到放电腔本体外壁面的距离均相等。
放电腔本体的壁厚为2~20mm。
放电腔本体的材质为石英或陶瓷。
当放电腔本体的材质为石英时，每层线圈到放电腔本体外壁面的距离均为2~30mm。当放电腔本体的材质为陶瓷时，每层线圈到放电腔本体外壁面的距离均为0~30mm。
假设放电腔本体的壁厚为H，每层线圈到放电腔本体外壁面的距离均为L，则H和L，根据放电腔本体内所需的等离子密度进行选择。
当放电腔本体内所需的等离子密度较高时，则选择均较小的H和L。当放电腔本体内所需的等离子密度较低时，则选择均较大的H和L。
当放电腔本体的壁厚H已确定时，通过调节每层线圈到放电腔本体外壁面的距离L，进而放电腔本体内的等离子体密度。当放电腔本体的壁厚H较大时，通过减小L，使得放电腔本体内的等离子体密度达到均匀。当放电腔本体的壁厚H较小时，通过增大L，使得放电腔本体内的等离子体密度达到均匀。
放电腔底部内壁面同轴安装有匀气盘，匀气盘具有与进气孔相连通的匀气腔。
线圈支撑的内壁面设置有用于安装线圈的槽口。
线圈采用3D打印成型。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明将盘香形ICP源与筒状ICP源相结合，能够分段对等离子体密度进行调节，改善刻蚀均匀性。
2、在放电腔本体的下端Dome型筒内部，由Dome型线圈进行等离子体电离；Dome型线圈可以分解为轴向的螺旋线圈和径向的盘香形平面线圈；其中，螺旋线圈能使放电腔内沿轴向感应出射频电场，而盘香形平面线圈则使放电腔内沿径向感应出射频电场，从而，使得整个放电腔内的等离子体密度分布均匀，保证刻蚀均匀性。
附图说明
图1显示了现有技术中离子源的线圈和放电腔结构示意图。
图2显示了现有技术中离子源放电腔内的等离子密度分布示意图。
图3显示了本发明一种线圈结构能随放电腔结构进行变化的离子源的示意图。
图4显示了本发明中放电腔的结构示意图。
图5显示了本发明中线圈支撑的结构示意图。
图6显示了本发明中线圈的结构示意图。
图7显示了本发明中采用线圈工装制作线圈的示意图。
其中有：
1.放电腔本体；11.放电腔顶部；12.放电腔中部；121.上端直筒；122.下端Dome型筒；13.放电腔底部；131.进气孔；132.匀气盘安装孔；
2.线圈；
3.线圈支撑；31.槽口；
4.线圈工装；
51~52.射频柱；61~62.导线；7.匀气盘；10.Grid组件。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图3所示，一种线圈结构能随放电腔结构进行变化的离子源，包括从外至内依次同轴设置的离子源腔、线圈支撑3、线圈2和放电腔本体1。
如图4所示，放电腔本体包括依次连接的放电腔顶部11、放电腔中部12和放电腔底部13。放电腔顶部11、放电腔中部12和放电腔底部13之间可熔焊加工成型，也可以一体成型。
放电腔顶部为中空圆环，且位于等离子出口侧，也即靠近离子源的Grid组件10，Grid组件10包括屏栅和加速栅等。
放电腔底部为中心设有进气孔131的圆盘。其中，中空圆环的圆心和圆盘的圆心均位于
放电腔本体的中心轴线上。
上述进气孔用于通入待电离气体，如Ar等。在进气孔的外周还优选开设有匀气盘安装孔
132，用于在放电腔底部内壁面同轴安装匀气盘7，匀气盘具有与进气孔相连通的匀气腔。匀气盘7的设置，能使进气均匀。放电腔底部13直径应比匀气盘7外径偏大5mm以上，最大不得超过放电腔本体1的最大内径。
放电腔中部包括依次连接的上端直筒121和下端Dome型筒122。上端直筒的顶端与放电腔顶部依次连接，下端Dome型筒的底部与放电腔底部的外缘依次连接。
为保证放电腔本体1具有足够强度，放电腔本体1的壁厚不能太薄，同时为保证放电腔的等离子体密度及材料加工影响，放电腔本体1的壁厚不能太厚，所以，放电腔本体1的壁厚优选为2~20mm之间。
放电腔本体1的材质优选为陶瓷或石英材质。
线圈支撑的外圈安装在离子源腔的内壁面，线圈支撑的内壁面形状与放电腔本体的形状相同。如图5所示，线圈支撑的内壁面设置有用于安装线圈的槽口31，用于安装线圈。线圈支撑8的材质优选为陶瓷、聚四氟乙烯等绝缘材质。
线圈两端分别通过射频柱51或52、导线61或62与射频源相连接。
如图6所示，线圈包括筒形螺旋线圈和Dome型线圈。其中，筒形螺旋线圈的位置与上端直筒的位置相对应，Dome型线圈与下端Dome型筒的位置相对应。
每层线圈到放电腔本体外壁面的距离均相等。保证线圈2和放电腔本体1之间的距离对放电腔本体1内等离子体密度分布具有重要意义，线圈2的成型应与放电腔本体1的结构相一致，若放电腔本体1的材质为石英，每层线圈到放电腔本体外壁面的距离均为2~30mm。若放电腔本体1的材质为陶瓷，每层线圈到放电腔本体外壁面的距离L均为0~30mm。由于陶瓷的硬度及抗高温能力强，故而当L=0时，也即线圈固定于陶瓷的放电腔本体1上。
为保证每处线圈2到放电腔中部12之间的距离一致，在缠绕线圈2时需利用一个线圈工装4，线圈工装的结构如图7所示，可以为一体，也可以由多个部分组成，加工时可采用3D打印成型等。
另外，线圈2到放电腔底部1的距离可调，线圈2底端位置可以在放电腔底部13的下方，也可以在其上方。
当Ar等离子化气体进入放电腔本体1内的流量确定，放电腔本体的壁厚为H，每层线圈到放电腔本体外壁面的距离均为L，则H和L，根据放电腔本体内所需的等离子密度进行选择，具体选择方法优选为：
A、若需放电腔本体1内的等离子体密度较高，放电腔本体1可以选择小壁厚，同时减小放电腔本体1与线圈2之间的距离；也即选择均较小的H和L。
B、若需放电腔本体1内的等离子体密度偏低，放电腔本体1可以选择大壁厚，同时加大放电腔本体1与线圈2之间的距离；也即选择均较大的H和L。
另外，若期望放电腔本体1内的等离子密度趋于均匀一致，放电腔本体1的壁厚与线圈2到放电腔中部12外壁之间的距离应呈反比，具体调节方法为：
A、当放电腔本体1的壁厚H较小时，线圈2到放电腔本体1之间的距离可以选择较大；也即通过增大L，使得放电腔本体内的等离子体密度达到均匀。
B、当放电腔本体的壁厚H较大时，应减少线圈2到放电腔中部1之间的距离；也即通过减小L，使得放电腔本体内的等离子体密度达到均匀。
在需要刻蚀时，Ar等离子化气体进入放电腔本体1内，线圈2上通射频电源后，对放电腔本体1内的离子化气体进行电离，由于线圈2与放电腔中部12之间的距离保持不变。则：
A、在放电腔本体的下端Dome型筒内部，由Dome型线圈进行等离子体电离；Dome型线圈可以分解为轴向的螺旋线圈和径向的盘香形平面线圈；其中，螺旋线圈能使放电腔内沿轴向感应出射频电场，而盘香形平面线圈则使放电腔内沿径向感应出射频电场，从而，使得整个放电腔内的等离子体密度分布均匀，保证刻蚀均匀性。
B、在放电腔本体的上端直筒内部，由筒形螺旋线圈进行等离子体电离；筒形螺旋线圈能使放电腔内沿轴向感应出射频电场，在放电腔本体的上端直筒内部不加线圈，靠下方均匀扩散，线圈长度跟电感有关，保证电感够就能够使等离子体密度分布均匀分布。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种线圈结构能随放电腔结构进行变化的离子源，其特征在于：包括从外至内依次同轴设置的离子源腔、线圈支撑、线圈和放电腔本体；
放电腔本体包括依次连接的放电腔顶部、放电腔中部和放电腔底部；
放电腔顶部为中空圆环，且位于等离子出口侧；
放电腔底部为中心设有进气孔的圆盘；其中，进气孔用于通入待电离气体；中空圆环的圆心和圆盘的圆心均位于放电腔本体的中心轴线上；
放电腔中部包括依次连接的上端直筒和下端Dome型筒；上端直筒的顶端与放电腔顶部依次连接，下端Dome型筒的底部与放电腔底部的外缘依次连接；
线圈支撑的外圈安装在离子源腔的内壁面，线圈支撑的内壁面形状与放电腔本体的形状相同；
线圈安装在线圈支撑内，线圈两端分别与射频源相连接；线圈包括筒形螺旋线圈和Dome型线圈；其中，筒形螺旋线圈的位置与上端直筒的位置相对应，Dome型线圈与下端Dome型筒的位置相对应；每层线圈到放电腔本体外壁面的距离均相等。
2.根据权利要求1所述的线圈结构能随放电腔结构进行变化的离子源，其特征在于：放电腔本体的壁厚为2~20mm。
3.根据权利要求1所述的线圈结构能随放电腔结构进行变化的离子源，其特征在于：放电腔本体的材质为石英或陶瓷。
4.根据权利要求1所述的线圈结构能随放电腔结构进行变化的离子源，其特征在于：当放电腔本体的材质为石英时，每层线圈到放电腔本体外壁面的距离均为2~30mm；当放电腔本体的材质为陶瓷时，每层线圈到放电腔本体外壁面的距离均为0~30mm。
5.根据权利要求1所述的线圈结构能随放电腔结构进行变化的离子源，其特征在于：假设放电腔本体的壁厚为H，每层线圈到放电腔本体外壁面的距离均为L，则H和L，根据放电腔本体内所需的等离子密度进行选择。
6.根据权利要求5所述的线圈结构能随放电腔结构进行变化的离子源，其特征在于：当放电腔本体内所需的等离子密度较高时，则选择均较小的H和L；当放电腔本体内所需的等离子密度较低时，则选择均较大的H和L。
7.根据权利要求5所述的线圈结构能随放电腔结构进行变化的离子源，其特征在于：当放电腔本体的壁厚H已确定时，通过调节每层线圈到放电腔本体外壁面的距离L，进而放电腔本体内的等离子体密度；当放电腔本体的壁厚H较大时，通过减小L，使得放电腔本体内的等离子体密度达到均匀；当放电腔本体的壁厚H较小时，通过增大L，使得放电腔本体内的等离子体密度达到均匀。
8.根据权利要求1所述的线圈结构能随放电腔结构进行变化的离子源，其特征在于：放电腔底部内壁面同轴安装有匀气盘，匀气盘具有与进气孔相连通的匀气腔。
9.根据权利要求1所述的线圈结构能随放电腔结构进行变化的离子源，其特征在于：线圈支撑的内壁面设置有用于安装线圈的槽口。
10.根据权利要求1所述的线圈结构能随放电腔结构进行变化的离子源，其特征在于：线圈采用3D打印成型。
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