CN116347738A - 一种复合式电浆源及其运作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合式电浆源及其运作方法，其结合微波电浆及变压器偶合电浆的机制组成复合式电浆源以进行气体解离及化学活化。复合式电浆源的反应腔由二个微波共振腔及多组中空金属管构成，利用微波共振腔产生高强度电场产生电浆后，以变压器偶合电浆的高效率耦合机制以产生高功率及高密度电浆，可大幅提高气导，同时各组中空金属管以各组铁氧体变压器磁芯驱动以分散功率，使得各中空金属管能量密度下降，减少电浆从扩散模式(diffusion mode)进入收缩模式(contraction mode)的发生，进而更能提高可操作的气体流量。

Description

一种复合式电浆源及其运作方法

技术领域

本发明是有关于一种电浆源，特别是有关于一种复合式电浆源及其运作方法。

背景技术

电浆(Plasma)己广泛应用于半导体制程及其他工业制造，其优势为能将气体的分子分解，产生中性自由基、离子、原子、电子和激发分子组成的高反应性混合物以提供制程所需的各种物理及化学反应。现有许多不同的机制产生电浆，其中一种是使用铁氧体变压器磁芯产生电感耦电浆放电，其主要机制是如图1所示，利用一个铁氧体变压器磁芯502在环形真空腔(Toroidal Vacuum Chamber)500内产生感应电场，从而使气体放电。环形真空腔500的一端为气体入口506，另一端为气体出口508。此种方式类似变压器的原理，电源连接铁氧体变压器磁芯502的一次侧而电浆则成为单圈的二次侧，以磁通量相连形成良好耦合效率。电浆中感应电场驱动电子漂移电流沿着真空腔500形成闭合路径的流动，故此机制亦称为变压器耦合电浆(Transformer Coupled Plasma,TCP)。在传统技术中，铁氧体变压器磁芯502连接驱动交流电源虽能在环形真空腔500内产生感应电场以在电浆中激发电流。但环形真空腔500的结构必须要以陶瓷环形片504提供电性阻隔区，否则会对铁氧体变压器磁芯502造成短路而无法在环形真空腔500产生感应电场，而且电性阻隔区必须够小，始能产生够强的电场强度以激发及维持稳定电浆，然而铁氧体变压器磁芯502所产生的强电场在环形真空腔500的金属结构影响下会集中在陶瓷环形片504所构成的电性阻隔区，有时会引发区域性放电造成陶瓷环形片504破裂而破坏电性阻隔，甚至反放电损害驱动电源，或是引起反应腔体保护镀层脱落的问题。

Anderson在美国专利第3,500,118号及第3,987,334号中描述了这种方法。美国专利第4,180,763号则提出将铁氧体磁芯TCP应用于照明应用。Reinberg等人在美国专利第4,431,898号提出在半导体制程中以电浆去除光阻的应用。此项TCP技术己运用于解离气体提供大量活化率的电浆源。在一些高气压高气体流量的应用中，需要使用高功率密度电浆来进行工作气体的化学活化或改变气体的性质或成分，然后可以将这些化学活化的气体送到真空处理系统。此类应用被称为“远程电浆处理”包括：(1)远程腔室清洁；(2)聚合物表面的远程腔室灰化；(3)真空前级管路中的下游前级清洁和后处理气体消减。这些应用中的许多应用涉及高流量(大于1slm)的电负性电浆放电气体(如O₂、NF₃、SF₆)和相对高的气体压力(大于1Torr)。因此，通常需要高功率密度以实现工作气体的高解离及活化的要求。在高气压高流量的操作条件下，与许多电感耦合电浆源设备一样，TCP的感应电磁场的强度不足以点燃电浆放电，而必须借由其他方式在真空反应腔中引入高强度电场来引发电浆放电，例如加装高电压电极，或是在电性隔离的部分腔体上引入高交流电压，产生局部射频辉光放电。但高电压放电装置的使用寿命及妥善率受到限制，例如曾有文献提出在电路上加入共振电路以产生高电压(1-10kV)以有效产生区域放电以产生电浆，但是电浆产生后如果仍使用同样的电压会产生极大的电流造成功率元件损害。因此电路上必须加装高压继电器(Relay)使得电浆产生后电源电路迅速转为非共振电路以降低电压避免大电流的损害。然而如果继电器故障或是控制讯号延迟无法立即启动继电器，将致使功率元件损害。另一方面，使用高电压极易引起真空腔体绝缘零组件的破坏造成电性短路，也会使腔体壁上的镀层脱落流入制程腔体中而造成微粒污染的情况。某些应用如面板显示器制造，因制程系统体积大必须使用大量气体(>30slm)以满足制程需要，因此在现有技术的环形真空腔的结构下，操作气压及功率密度必须大幅提高。然此状况下，由于离子和电子的碰撞、双极扩散(ambipolar diffusion)及散热效能的限制下可以导致真空腔内的圆柱形电浆(cylindrical plasma column)的直径变小使得电浆从扩散模式(diffusion mode)进入收缩模式(contraction mode)而无法充满真空腔，致使部分气体未能经由电浆反应使得整体气体活化率降低无法满足制程需求。严重时甚至产生电浆不稳定造成电浆无法维持而熄灭。因此如何改进现有技术的环形真空腔腔体结构以确保电浆稳定是进一步提升气体流量的必须克服的问题。

发明内容

有鉴于上述习知技艺的问题，本发明的目的即是针对上述现有TCP电浆技术的缺点加以改进，并为进一步提高工作气体流量提出解决方案。主要的技术在于(1)结合微波电浆及TCP电浆的机制组成复合式电浆源，利用微波共振腔产生高强度电场产生电浆后，以TCP对电浆的高效能量耦合机制产生高功率及高密度电浆。如此一方面可去除高电压点火装置的缺点，同时因微波负责激发及维持初始电浆，可以解决TCP弱电场的缺点，以提高电浆稳定性。(2)反应腔由二个微波共振腔及多组中空金属管构成，和现有技术环形真空腔(Toroidal Vacuum Chamber)相较，气导可大幅提高，使得大气流的情况下气体压力可维持在数Torr的范围。同时因为分散各组中空金属管功率，使得各中空管属管能量密度下降，减少电浆从扩散模式(Diffusion Mode)进入收缩模式(Contraction Mode)的发生。

为达前述目的，本发明提出一种复合式电浆源包含一反应腔以及至少一铁氧体变压器磁芯。该反应腔包含一第一微波共振腔、一第二微波共振腔以及至少一对中空金属管，该对中空金属管的两端分别连通该第一微波共振腔及该第二微波共振腔，其中至少一微波导入至该反应腔中，借以将该反应腔中的一工作气体激发成一电浆。该铁氧体变压器磁芯包含一铁氧体磁芯具有两空心区域分别套设于该对中空金属管上、一感应线圈借由该两空心区域缠绕该铁氧体磁芯以及一驱动电源电性连接该感应线圈，借以在该反应腔的该对中空金属管中产生一感应电场，该感应电场激发该电浆借以在该反应腔中形成具有一闭合路径的一电流，借以进一步游离该工作气体以提升该电浆的密度。

其中，该电流循环通过该第一微波共振腔、该对中空金属管及该第二微波共振腔以构成该闭合路径。

其中，更包含至少一微波源设于该反应腔的该第一微波共振腔、该第二微波共振腔或者是该第一微波共振腔与该第二微波共振腔上，用以将该微波导入该反应腔中。

其中，该微波源包含同轴设置的一磁控管、一中央金属棒及一圆柱形外管，该中央金属棒位于该圆柱形外管中，该中央金属棒的一端连接该磁控管的一输出天线，该中央金属棒的另一端伸入该反应腔中，借以将该磁控管所产生的该微波经由该中央金属棒及该圆柱形外管导入该反应腔中。

其中，该微波源更包含一微波匹配元件，用以减少该磁控管所产生的该微波经由该中央金属棒及该圆柱形外管导入该反应腔中时的一反射量，使得该微波进入该反应腔中。

其中，该微波匹配元件包含一金属同轴管横向设于该圆柱形外管上，其中该金属同轴管具有同轴设置的一横向管、一金属板及一横杆，该横向管横向设于该圆柱形外管上，该横杆从该圆柱形外管延伸入该横向管中，且该金属板设于该横杆上。

其中，该金属板可动式设于该横杆上，借以进行阻抗匹配以改善该微波的该反射量。

其中，该输出天线与该中央金属棒之间具有一直径缓变区，借以降低该磁控管所产生的该微波由该输出天线传导至该中央金属棒时的一反射量。

其中，该圆柱形外管为陶瓷管。

其中，该圆柱形外管为密闭真空管。

其中，该对中空金属管的该两端分别经由至少一电性阻隔区连通该第一微波共振腔及该第二微波共振腔，借以防止该反应腔与该铁氧体变压器磁芯之间产生短路。

其中，该电性阻隔区为陶瓷环形片。

其中，该第一微波共振腔及该第二微波共振腔为中空圆柱。

其中，该工作气体的气压大于1Torr，气体流量大于10slm。

其中，该对中空金属管的数量(及/或管径)对应于该工作气体的流量增加而增加，借以确保该电浆在该对中空金属管中的稳定性及增加气导。

其中，该电浆的功率密度对应于该对中空金属管的数量。

其中，该铁氧体变压器磁芯的数量为两组，且该感应线圈并联至该驱动电源以供电。

其中，该铁氧体变压器磁芯所产生的一电场垂直于将该微波导入该反应腔中的一中央金属棒，以避免干扰产生该微波的一微波源。

其中，该驱动电源为交流式电源、直流式电源或脉冲式电源。

其中，该第一微波共振腔具有一气体入口，该第二微波共振腔具有一气体出口。

为达前述目的，本发明另提出一种复合式电浆源的运作方法，其特征在于先以一微波电场使得一工作气体形成一电浆，再以一变压器耦合电浆技术高效率耦合能量至该电浆，使得该电浆进一步提高电浆密度产生高解离度的活化气体。

承上所述，依本发明的复合式电浆源及运作方法，其可具有一或多个下述优点：

(1)结合微波电浆及TCP电浆的机制组成复合式电浆源。(2)利用微波共振腔产生高强度电场产生电浆后，以TCP的机制有效耦合能量以产生高功率及高密度电浆。(3)可去除高电压点火装置的缺点，同时因微波负责激发及维持初始电浆，可以解决TCP弱电场的缺点，以提高电浆稳定性。(4)利用反应腔具有强电场的特性，即使制程条件调整时仍可维持一定的电浆密度，即便气压为1Torr至5Torr仍能有效激发高强度电场达到稳定产生电浆的要求。(5)可依据工作气体的气体流量的大小，增加中空金属管的组数以分散流量，不但能确保电浆的稳定性更可以增加气导。(6)由于本发明的电浆已经由微波所激发，所以本发明的电性阻隔区可以较宽，有利于使用寿命的延长及系统的稳定性。(7)大气流的情况下气体压力可维持在数Torr的范围。(8)因为分散各组中空金属管功率，使得各中空管属管能量密度下降，减少电浆从扩散模式(Diffusion Mode)进入收缩模式(Contraction Mode)的发生。(9)本发明利用反应腔中高强度的电场在高气压及高气体流量下激发稳定电浆提供充分自由电子，并经由铁氧体变压器磁芯所感应生成的电场驱动及加速，在反应腔内形成闭合路径的电子漂移电流，并更进一步有效游离气体产生高密度电浆。

兹为使钧审对本发明的技术特征及所能达到的技术功效有更进一步的了解与认识，谨佐以较佳的实施例及配合详细的说明如后。

附图说明

图1为习知技术的环形低电场电浆源的环形真空腔的剖面示意图。

图2为本发明的复合式电浆源的剖面示意图。

图3为本发明的复合式电浆源的另一视角的运作示意图。

图4为本发明的复合式电浆源的微波源的剖面示意图。

图5为本发明的复合式电浆源的铁氧体变压器磁芯的剖面示意图。

附图标记说明：

10：反应腔 24：中央金属棒 56：感应线圈

11：气体入口 25：直径缓变区 58：驱动电源

12：第一微波共振腔 26：圆柱形外管 100：复合式电浆源

14：第二微波共振腔 30：微波匹配元件 200：工作气体

15：气体出口 32a：横向管 300：微波电场

16：中空金属管 32b：金属板 400：感应电场

17：电性阻隔区 32c：横杆 500：真空腔

20：微波源 50：铁氧体变压器磁芯 502：铁氧体变压器磁芯

22：磁控管 52：铁氧体磁芯 504：陶瓷环形片

23：输出天线 54：空心区域 506：气体入口

508：气体出口

具体实施方式

为利了解本创作的技术特征、内容与优点及其所能达成的功效，兹将本创作配合图式，并以实施例的表达形式详细说明如下，而其中所使用的图式，其主旨仅为示意及辅助说明书之用，未必为本创作实施后的真实比例与精准配置，故不应就所附的图式的比例与配置关系解读、局限本创作于实际实施上的权利范围。此外，为使便于理解，下述实施例中的相同元件以相同的符号标示来说明。

另外，在全篇说明书与申请专利范围所使用的用词，除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在此揭露的内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本创作的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本创作的描述上额外的引导。

关于本文中如使用“第一”、“第二”、“第三”等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本创作，其仅仅是为了区别以相同技术用语描述的组件或操作而已。

其次，在本文中如使用用词“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等，其均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

本发明揭示一种复合式电浆源及其运作方法，且结合微波电浆(MicrowavePlasma)及变压器耦合电浆(Transformer Coupled Plasma，TCP)技术组成复合式电浆源以进行工作气体解离及化学活化，借以在高气压及高气体流量下产生高功率及高密度电浆的装置和方法。本发明先以微波在微波共振腔产生高强度电场(微波电场)使得工作气体形成电浆，再以变压器耦合电浆技术有效耦合能量，使得电浆放电产生电子漂移电流，并更进一步有效游离工作气体以产生高功率及高密度电浆。

请参阅图2至图5，本发明揭示一种复合式电浆源100包含反应腔10以及至少一铁氧体变压器磁芯50。反应腔10包含第一微波共振腔12、第二微波共振腔14以及至少一对中空金属管16，中空金属管16的两端分别连通第一微波共振腔12及第二微波共振腔14，其中反应腔10先以一微波使得工作气体200形成电浆，而铁氧体变压器磁芯50则是产生感应电场400(其为TCP感应电场)，用以激发电浆使得电浆放电产生电流。如图2所示，第一微波共振腔12及第二微波共振腔14为例如横躺的中空圆柱，而上述成对的中空金属管16则分别连通第一微波共振腔12及第二微波共振腔14的柱身且彼此间隔一距离。上述的铁氧体变压器磁芯50包含铁氧体磁芯52、感应线圈56以及驱动电源58。铁氧体磁芯52具有至少两空心区域54分别套设于反应腔10的成对的中空金属管16上。铁氧体磁芯52例如呈“日”字形。感应线圈56利用上述的两空心区域54缠绕铁氧体磁芯52，例如缠绕“日”字形铁氧体磁芯52的中间横杆上，且驱动电源58例如经由电线电性连接感应线圈56的两端，借以在反应腔10中(例如中空金属管16中)产生感应电场400，此感应电场400可激发稳定电浆提供充分的自由电子，并经由铁氧体磁芯52所感应生成的电场驱动及加速，故可在反应腔10内形成闭合路径的电流(例如电子漂移电流)，并更进一步有效游离气体产生高密度电浆。上述的电子漂移电流在反应腔10中循环通过第一微波共振腔12、中空金属管16及第二微波共振腔14以形成闭合路径，借以进一步游离工作气体200以提升电浆的密度。其中，本发明的工作气体200的种类并无特别限定，任何气体只要可用以产生电浆，即可适合作为本发明的工作气体200。反应腔10的尺寸以及中空金属管16的间距与管径可视实际需求而制定，故不限于上述举例。

本发明的复合式电浆源利用反应腔10的第一微波共振腔12及第二微波共振腔14中高强度的电场在高气压及高气体流量(气压>1Torr，气体流量>1slm)下激发稳定电浆提供充分的自由电子，并经由铁氧体变压器磁芯50所感应生成的电场驱动及加速，在反应腔10内形成闭合路径的电子漂移电流，并更进一步有效游离气体产生高密度电浆。由于变压器耦合的技术虽然能非常有效地把能量传入电浆，但与许多电感耦合电浆设备一样，感应电磁场的强度(10V/cm)不足以击穿工作气体200，尤其在高气压及高气体流量下，虽然可以利用高电压装置在反应腔10(真空腔)产生初始放电达到产生电浆的目标，但高电压放电装置的使用寿命及妥善率受到限制，且极易引起反应腔10的腔体的破坏。尤其变压器耦合电浆(TCP)是属于低电场强度的机制，当气压或气流有扰动时极易形成电浆不稳甚至熄灭的情况发生，例如在制程转换工作气体流量时。本发明利用反应腔10的第一微波共振腔12及第二微波共振腔14具有强微波电场300的特性，即使制程条件调整时仍可维持一定的电浆密度，故能克服此项缺点。

另一方面，在高气压及高流量和功率密度下，由于离子和电子的碰撞、双极扩散(ambipolar diffusion)的限制下极易导致现有技术的环形真空腔体内圆柱形电浆(cylindrical plasma column)收缩，致使电浆无法充满真空腔体，甚至产生电浆不稳定，而且现有技术的环形真空腔使用单一的金属管所能承受的功率密度及气压气流有限。相较之下，本发明以较大的微波共振腔及多组金属管的组合分散工作气体流量，同时以分组电源的方式降低各个金属管内的功率密度可达成高气压及高流量操作的目标。

详言之，上述的第一微波共振腔12的一侧具有一气体入口11，用以导入工作气体200，第二微波共振腔14的一侧具有一气体出口15，用以导出工作气体200，气体入口11与气体出口15的设置位置例如分别位于第一微波共振腔12及第二微波共振腔14的背对侧。第一微波共振腔12及第二微波共振腔14为中空圆柱。中空金属管16较佳为成对设置，使得工作气体200能够对称地流过中空金属管16，其中中空金属管16的数量可为一对，也可例如为两对或以上，中空金属管16较佳为彼此间隔一距离。中空金属管16的两端例如分别连通第一微波共振腔12及第二微波共振腔14的相对侧。由于许多应用涉及高流量的腐蚀性活化粒子的产生(例如NF₃、SF₆电浆)，金属反应腔10的内部必须保护，因此本发明可选择性将铝制反应腔10(包括第一微波共振腔12、第二微波共振腔14以及中空金属管16)进行阳极化处理形成保护膜。

本发明更包含至少一微波源20用以产生微波，且将此微波导入反应腔10中，共振频率为2.45GH，功率例如为介于800W至1000W之间，共振模式为TE₁₁₁模式，借以利用第一微波共振腔12及第二微波共振腔14的高强度微波电场300将反应腔10中的工作气体200激发成电浆。其中，上述的微波源20的数量可为一个，用以设置于反应腔10的第一微波共振腔12或第二微波共振腔14上，例如位于旁侧(如图2所示)或顶侧，且微波源20所产生的微波的传导方向较佳为垂直于中空金属管16的设置方向。此外，微波源20的数量也可例如为两个或两个以上，用以同时设置于反应腔10的第一微波共振腔12及第二微波共振腔14上。如图5所示，本发明以四个中空金属管16及两个微波源20为例，但不限于此。此外，由于铁氧体磁芯52的空心区域54的数量对应于中空金属管16，因此本发明以两组铁氧体变压器磁芯50为例，呈“田”字形，其中这两组铁氧体变压器磁芯50的两个感应线圈56分别利用这两对空心区域54缠绕这两个铁氧体磁芯52，而且这两个感应线圈56为例如并联式电性连接驱动电源58，以供应电力给感应线圈56。

详言之，如图4所示，本发明的微波源20例如为同轴磁控管微波源，其包含同轴设置的磁控管22、中央金属棒24及圆柱形外管26。磁控管22设于反应腔10上，中央金属棒24的一端连接磁控管22的输出天线23，中央金属棒24的另一端伸入反应腔20中，中央金属棒24位于圆柱形外管26中，借此可将磁控管22所产生的微波经由中央金属棒24及圆柱形外管26导入反应腔20中。其中，圆柱形外管26较佳为密闭真空管，除保持真空外也能防止电浆和中央金属棒24直接接触，且其材质可例如为陶瓷，且较佳为氧化铝陶瓷。输出天线23与中央金属棒24的直径可例如为相同。除此之外，若输出天线23与中央金属棒24的直径不相同，例如其中的一者的直径较大，另一者的直径较小，则本发明所采用的输出天线23与中央金属棒24之间可选择性具有直径缓变区25，其一端直径较大，另一端直径较小，借以降低磁控管22所产生的微波由输出天线23传导至中央金属棒24时的反射量。其中，此直径缓变区25可位在输出天线23的端部上，或是位在中央金属棒24的端部上，只要能够达成降低微波反射的效果即可适用于本发明。

此外，本发明所采用的微波源20更可选择性包含微波匹配元件30，用以减少磁控管22所产生的微波经由中央金属棒24及圆柱形外管26导入反应腔10中时的反射量，使得微波能够有效传入反应腔10中。上述的微波匹配元件30例如包含金属同轴管横向设于圆柱形外管26上，其中金属同轴管具有同轴设置的横向管32a、金属板32b及横杆32c，横向管32a横向设于圆柱形外管26上，横杆32c从圆柱形外管26延伸入横向管32a中，且金属板32b设于横杆32c上。其中，金属板32b可动式设于横杆32c上，借由调整金属板32b的位置进行阻抗匹配，能够改善微波的反射量，使得微波能有效传入反应腔10的第一微波共振腔12及第二微波共振腔14中。此第一微波共振腔12及第二微波共振腔14的品质因素(quality factor)可超过2,000，故能有效激发高强度的电场达到在气压1Torr至5Torr稳定产生电浆的要求。另一方面，一般而言，自由电子和中性气体分子的碰撞频率大约是数个GHz/Torr，此碰撞频率在数个Torr的压力范围和微波频率2.45GHz相近，因此有利于微波在高于1Torr的压力范围激发电浆。

如图2所示，反应腔10的第一微波共振腔12及第二微波共振腔14以中空金属管16相连通，中空金属管16的管径例如为2.5公分，且中空金属管16的数量及/或管径可对应于工作气体200的流量增加而增加。亦即，本发明可依据工作气体200的气体流量的大小，增加中空金属管16的组数以分散流量，不但能确保电浆在中空金属管16中电浆的稳定性更可以增加气导(gas conductance)，同时反应腔10的气体出口15的直径可增加为5cm，此直径小于2.45GHz微波的截止直径(Cut-off)，微波不能传输，对第二微波共振腔14特性影响很小。然而和先前技术2.5cm比较，本发明系统气导增加很多进而降低反应腔10的压力，有利于微波共振腔激发高气流量电浆的效能。此外，多个中空金属管16可以建设性地提高中空金属管16和微波共振腔内的功率密度，亦即电浆的功率密度对应于中空金属管16的数量，以便在相对高的真空压力及高气体流量(>1Torr，>10slm)下实现非常高密度的电浆状态，达成活化气体的功能。

此外，如图3及图5所示，此组中空金属管16穿过铁氧体变压器磁芯50的铁氧体磁芯52的一对中央空心区域54。铁氧体变压器磁芯50连接交流式驱动电源58则能在反应腔10内产生感应电场400以在电浆中激发电流。但反应腔10的结构必须要做电性阻隔，否则会对铁氧体变压器磁芯50造成短路而无法在反应腔10产生感应电场400。在本发明中，此项电性阻隔是在中空金属管16和第一微波共振腔12与第二微波共振腔14连接处使用陶瓷环形片达成。而铁氧体变压器磁芯50所激发的电场在反应腔10的金属结构影响下会集中在陶瓷环形片所构成的电性阻隔区17。在传统技术中，电性阻隔区必须够小始能产生够强的电场强度以激发及维持稳定电浆，然而强电场有时会引发区域性放电造成陶瓷环形片破裂而破坏电性阻隔，甚至反向放电损害驱动电源，或是引起反应腔体保护镀层脱落的问题。相较之下，由于本发明的电浆已经由第一微波共振腔12与第二微波共振腔14所激发，电性阻隔区的电场强度不是关键参数，因此本发明的电性阻隔区可以较宽，故可降低上述传统技术的缺点，有利于使用寿命的延长及系统的稳定性。

如图5所示，本发明亦可采用多个中空金属管16和相关联的两个或多个铁氧体磁芯52，这些铁氧体磁芯52与单独的初级电流源(即驱动电源58)并联供电以支持中空金属管16中电浆的感应电子漂移电流。图5显示多个中空金属管16中电浆的感应电子漂移电流如何在反应腔10(第一微波共振腔12、第二微波共振腔14以及中空金属管16)的电浆中协同工作。另一方面，由于铁氧体变压器磁芯50感应产生的电场和插入反应腔10中的中央金属棒24成90度关系，因此并不会对微波源20产生干扰。

图5更显示本发明的驱动TCP电浆的电源电路，其中此电源电路由驱动电源58、铁氧体变压器磁芯50及电浆组成。本发明以驱动电源58为交流电源举例，其所采用的交流电源频率以适合于驱动电浆、功率元件的耐电压及耐电流及铁氧体磁芯52损耗做适当的选择，其约在介于100kHz和约500kHz之间。交流电源可为定功率或定电流操作。输出电压约为250V到350V，而最大功率为10kW。在先前技术中，交流电源的负载阻抗在电浆激发的过程中，从低密度电浆到稳定高密度电浆有极大的变化，对于功率元件造成很大的挑战。相较之下，在本发明中因为初期微波共振腔已激发一定密度的电浆。故能大幅减少负载阻抗的动态变化，降低功率元件发生问题的机率。此外，本发明的驱动微波源20的驱动电源58可以是直流，或是脉冲式，例如可由开关(switching)电路经高压变压器升压到1kV左右，再经由倍压电电路来驱动磁控管，操作功率为50W-1000W。以现有磁控管的规格而言，可承受几乎全反射的情况，故有利用于激发起始电浆。

综上所述，本发明的复合式电浆源及其运作方法，具有以下优点：(1)结合微波电浆及TCP电浆的机制组成复合式电浆源。(2)利用微波共振腔产生高强度电场产生电浆后，以TCP的机制有效耦合能量以产生高功率及高密度电浆。(3)可去除高电压点火装置的缺点，同时因微波负责激发及维持初始电浆，可以解决TCP弱电场的缺点，以提高电浆稳定性。(4)利用反应腔具有强电场的特性，即使制程条件调整时仍可维持一定的电浆密度，即便气压为1Torr至10Torr仍能有效激发高强度电场达到稳定产生电浆的要求。(5)可依据工作气体的气体流量的大小，增加中空金属管的组数以分散流量，不但能确保电浆的稳定性更可以增加气导。(6)由于本发明的电浆已经由微波所激发，所以本发明的电性阻隔区可以较宽，有利于使用寿命的延长及系统的稳定性。(7)大气流的情况下气体压力可维持在数Torr的范围。(8)因为分散各组中空金属管功率，使得各中空管属管能量密度下降，减少电浆从扩散模式(Diffusion Mode)进入收缩模式(Contraction Mode)的发生。(9)本发明利用反应腔中高强度的电场在高气压及高气体流量下激发稳定电浆提供充分自由电子，并经由铁氧体变压器磁芯所感应生成的电场驱动及加速，在反应腔内形成闭合路径的电子漂移电流，并更进一步有效游离气体产生高密度电浆。

以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于后附的权利要求范围中。

Claims (21)

1.一种复合式电浆源，其特征在于，包含：

一反应腔，该反应腔包含一第一微波共振腔、一第二微波共振腔以及至少一对中空金属管，该对中空金属管的两端分别连通该第一微波共振腔及该第二微波共振腔，其中至少一微波导入至该反应腔中，借以将该反应腔中的一工作气体激发成一电浆；以及

至少一铁氧体变压器磁芯，该铁氧体变压器磁芯包含一铁氧体磁芯具有两空心区域分别套设于该对中空金属管上、一感应线圈借由该两空心区域缠绕该铁氧体磁芯以及一驱动电源电性连接该感应线圈，借以在该反应腔的该对中空金属管中产生一感应电场，该感应电场激发该电浆借以在该反应腔中形成具有一闭合路径的一电流，借以进一步游离该工作气体以提升该电浆的密度。

2.如权利要求1所述的复合式电浆源，其特征在于：该电流循环通过该第一微波共振腔、该对中空金属管及该第二微波共振腔以构成该闭合路径。

3.如权利要求1所述的复合式电浆源，其特征在于：更包含至少一微波源设于该反应腔的该第一微波共振腔、该第二微波共振腔或者是该第一微波共振腔与该第二微波共振腔上，用以将该微波导入该反应腔中。

4.如权利要求3所述的复合式电浆源，其特征在于：该微波源包含同轴设置的一磁控管、一中央金属棒及一圆柱形外管，该中央金属棒位于该圆柱形外管中，该中央金属棒的一端连接该磁控管的一输出天线，该中央金属棒的另一端伸入该反应腔中，借以将该磁控管所产生的该微波经由该中央金属棒及该圆柱形外管导入该反应腔中。

5.如权利要求4所述的复合式电浆源，其特征在于：该微波源更包含一微波匹配元件，用以减少该磁控管所产生的该微波经由该中央金属棒及该圆柱形外管导入该反应腔中时的一反射量，使得该微波进入该反应腔中。

6.如权利要求5所述的复合式电浆源，其特征在于：该微波匹配元件包含一金属同轴管横向设于该圆柱形外管上，其中该金属同轴管具有同轴设置的一横向管、一金属板及一横杆，该横向管横向设于该圆柱形外管上，该横杆从该圆柱形外管延伸入该横向管中，且该金属板设于该横杆上。

7.如权利要求6所述的复合式电浆源，其特征在于：该金属板可动式设于该横杆上，借以进行阻抗匹配以改善该微波的该反射量。

8.如权利要求4所述的复合式电浆源，其特征在于：该输出天线与该中央金属棒之间具有一直径缓变区，借以降低该磁控管所产生的该微波由该输出天线传导至该中央金属棒时的一反射量。

9.如权利要求4所述的复合式电浆源，其特征在于：该圆柱形外管为陶瓷管。

10.如权利要求4所述的复合式电浆源，其特征在于：该圆柱形外管为密闭真空管。

11.如权利要求1所述的复合式电浆源，其特征在于：该对中空金属管的该两端分别经由至少一电性阻隔区连通该第一微波共振腔及该第二微波共振腔，借以防止该反应腔与该铁氧体变压器磁芯之间产生短路。

12.如权利要求11所述的复合式电浆源，其特征在于：该电性阻隔区为陶瓷环形片。

13.如权利要求1所述的复合式电浆源，其特征在于：该第一微波共振腔及该第二微波共振腔为中空圆柱。

14.如权利要求1所述的复合式电浆源，其特征在于：该工作气体的气压大于1Torr，气体流量大于10slm。

15.如权利要求1所述的复合式电浆源，其特征在于：该对中空金属管的数量及/或管径对应于该工作气体的流量增加而增加，借以确保该电浆在该对中空金属管中的稳定性及增加气导。

16.如权利要求1所述的复合式电浆源，其特征在于：该电浆的功率密度对应于该对中空金属管的数量。

17.如权利要求1所述的复合式电浆源，其特征在于：该铁氧体变压器磁芯的数量为两组，且该感应线圈并联至该驱动电源以供电。

18.如权利要求1所述的复合式电浆源，其特征在于：该铁氧体变压器磁芯所产生的一电场垂直于将该微波导入该反应腔中的一中央金属棒，以避免干扰产生该微波的一微波源。

19.如权利要求1所述的复合式电浆源，其特征在于：该驱动电源为交流式电源、直流式电源或脉冲式电源。

20.如权利要求1所述的复合式电浆源，其特征在于：该第一微波共振腔具有一气体入口，该第二微波共振腔具有一气体出口。

21.一种复合式电浆源的运作方法，其特征在于先以一微波电场使得一工作气体形成一电浆，再以一变压器耦合电浆技术高效率耦合能量至该电浆，使得该电浆进一步提高电浆密度产生高解离度的活化气体。

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