CN201114975Y - 用于电子回旋共振等离子体源的谐振腔体装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于电子回旋共振等离子体源的谐振腔体装置，该装置包括：同轴波导、介质窗，其中，同轴波导200采用圆波导管和锥形波导管组成的一体结构，该同轴波导下方固定有法兰盘700，法兰盘中间开有圆形窗口，该窗口外侧开有密封槽903，密封槽中设有密封圈，密封圈上固定有介质窗902，介质窗和法兰盘内壁之间设有固定橡胶圈901，介质窗上设有无磁托盘600，该无磁托盘与同轴波导内导体502之间通过扼流圈800连接。法兰盘与同轴波导通过螺纹连接，并与工艺室相连。本实用新型具有微波电场分布均匀、腔体加工尺寸大，拆卸维修方便的优点，可作为电子回旋共振等离子体设备的部件。

Description

用于电子回旋共振等离子体源的谐振腔体装置

技术领域

本实用新型涉及电子回旋共振等离子体设备的部件，具体地说就是一种谐振腔体装置，用于为电子回旋共振等离子体设备提供微波电场。

背景技术

电子回旋共振ECR等离子体具有工作气压低、密度高、离化率高、大面积均匀、工艺设备简单、可稳定运行和参数易于控制等优点，可以实现低温高效无污染的表面处理，在集成电路IC制造工艺中有着巨大的应用潜力。ECR是指当输入的微波频率ω等于电子回旋频率ω_ce时发生共振，微波能量耦合给电子，获得能量的电子电离中性气体分子产生放电的过程。通过调节磁场，使得在放电室的某一区域达到共振条件，这个区域称为ECR区。当微波频率为2.45GHz时，达到电子回旋共振的磁感应强度B为0.0875T。图1给出了ECR等离子体设备的结构示意图。ECR等离子体设备一般由微波谐振腔体101、反应室102、样品台103、气路系统104、真空系统105等构成。

微波谐振腔体是ECR等离子体设备的关键部件，其微波谐振模式、电磁性质、真空密封性和工作面积是ECR等离子体设备的重要参数。现有技术中大多数微波电子回旋共振装置的等离子体均匀性都不理想，其原因主要是：微波电子回旋共振多采用TE10模的2.45GHz的微波，经过TE10模到TE11模的波形变换器后转换为TE11模后再经微波窗片耦合进圆柱形谐振腔，或直接经波导窗耦合进圆柱形谐振腔变成TE11模。而TE10模和TE11模对应的横向电场都是不均匀的，从而导致产生的等离子体的均匀性较差。同时现有技术中微波性质与工作面积是一对矛盾，即尺寸小的腔体，微波模式单一，电磁特性好，但无法实现大面积加工；加大腔体尺寸，虽可以增大加工尺寸，但微波性质差，放电难以进行，严重时甚至可以造成窗口、腔体等部件打火损坏。此外，现有技术多数是通过将微波谐振腔用点焊密封防止微波泄漏，拆卸维修十分不便。

实用新型的内容

本实用新型的目的在于提供一种用于电子回旋共振等离子体源的谐振腔体装置，以提高微波电场分布的均匀性，克服微波性质与腔体加工尺寸的矛盾，且便于拆卸维修。

本实用新型的技术方案是：

采用波导-同轴变换器实现从矩形波导到同轴波导的转换；采用锥形同轴波导管扩大微波出口直径，以便生成大口径等离子体；用介质窗作为工艺室密封窗及表面波传输的媒介；采用扼流圈装置防治微波泄漏；用法兰盘实现同轴谐振腔与工艺室的连接。整个腔体装置包括同轴波导、介质窗、法兰盘，该同轴波导是由上圆波导、锥形波导和下圆波导管三段波导管组成；法兰盘中间开有圆形窗口，法兰盘上固定有介质窗，该法兰盘固定在同轴波导下方。

所述的介质窗上设有无磁托盘，该无磁托盘与同轴波导内导体之间通过扼流圈连接。

所述的法兰盘中间圆形窗口的外侧开有密封槽，该密封槽中设有密封圈，介质窗放置在密封槽上方，介质窗和法兰盘内壁之间设有固定橡胶圈。

所述的法兰盘的上外缘与同轴波导的外导体的下外缘通过螺纹连接。

所述的无磁托盘上设有永磁磁铁。

所述的锥形波导的角度为45°。

所述的扼流圈为

形圆环，该圆环横边和竖边的边长之和为微波波长的四分之一，其竖边底部固定在无磁托盘上。

本实用新型由于采用矩形-同轴波导转换器和锥形同轴波导，因而利于产生大面积均匀的微波电磁场分布和等离子体，从而在保证微波性质的前提下可以有效提高等离子体设备的大面积加工能力；同时由于采用扼流圈装置，防止了微波泄漏；此外，由于采用法兰盘、扼流圈、托盘的组合结构，因此该微波谐振腔可以方便拆卸、易于维修。

测试结果表明：应用本实用新型的电子回旋共振等离子体源在工艺室内部介质窗正下方20～80mm之间电场均匀性优于80％，具有较理想的场型分布和谐振特性；该等离子体源的等离子体密度约为2.6×10¹⁰cm^-3，等离子体电势约为15V，电子温度约2.3eV，介质窗正下方50mm处等离子体均匀性优于95％。

下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

附图说明

图1是微波ECR等离子体设备结构示意图；

图2是微波功率源及传输系统的结构示意图；

图3是本实用新型的整体结构图；

图4是本实用新型扼流圈的结构示意图；

具体实施方式

图2给出了微波功率源及传输系统的结构示意图。该微波功率源及传输系统由微波发生器201、环流器202、水负载203、功率计204、定向耦合器205、销钉调配器206、短路活塞207、矩形波导管208、矩形-同轴波导转换器209和微波谐振腔同轴波导200组成。各部分的连接关系为：矩形波导管208从左向右依次分别与微波发生器201、环流器202、定向耦合器205、销钉匹配器206、矩形-同轴波导转换器连接209、短路活塞207连接；环流器202的反射端连接水负载203；功率计204与定向耦合器205连接；矩形-同轴波导转换器209与微波谐振腔同轴波导200连接。微波发生器201采用WY50002-1C型连续波磁控管微波源，该功率源产生的微波经环流器202、水负载203、功率计204、定向耦合器205，销钉调配器206及短路活塞207调节负载匹配及反射功率，由BJ-26矩形波导208和矩形-同轴波导转换器209输送到微波谐振腔同轴波导200中。该微波功率源及传输系统为微波谐振腔激发产生电场输送能量。

参照图3，本实用新型的谐振腔包括同轴波导200、介质窗902，法兰盘700，无磁托盘600，扼流圈800。其中：

该同轴波导200是由圆波导管和锥形波导管组成的一体结构，包括上圆波导300、锥形波导500和下圆波导管400三段波导管，即由一个外径为21mm的内导体和内径为49mm的外导体构成的同轴波导管300以四十五度角扩展成锥形管500，和一个由外径为304mm的内导体和内径为344mm的外导体构成的同轴波导管400，以便生成大口径微波电场。波导管采用不锈钢材料，内壁镀有黄铜。

该法兰盘700中间开有圆形窗口，该窗口上方外侧开有密封槽903。该密封槽中设有密封圈，密封槽和密封圈保证了ECR反应室的真空度。法兰盘的上外缘与同轴波导外导体501的下外缘通过螺纹310连接，法兰盘的下外缘与工艺室通过螺纹311连接，以便拆卸维修。法兰盘用不锈钢材料制成。

该介质窗902为采用陶瓷或石英材料的圆板，其半径大于法兰盘圆形窗口半径和密封槽槽宽之和。该介质窗放置在密封槽903上方，介质窗和法兰盘内壁之间通过橡胶圈901固定。

该无磁托盘600放置在介质窗上方，通过扼流圈800与同轴波导内导体502固定，该无磁托盘上放置永磁磁铁905。

该扼流圈800为

形圆环，如图4所示，其横边401和竖边402的边长之和为微波波长的四分之一，其竖边底部通过点焊焊接在托盘600上，以防止微波泄漏。与传统的将托盘和同轴空腔焊接起来的结构相比，可以方便地拆卸同轴空腔和磁铁以便维修。

维修拆卸时，首先拆除法兰盘与锥形波导管外导体下缘之间的连接螺纹，然后将波导管向上垂直提起，最后将托盘、固定橡胶圈、介质窗、密封圈依次取出。

将上述各部件组合起来，形成微波谐振腔体，将该微波谐振腔体与真空工艺室通过法兰盘连接即可实现ECR等离子体设备。

在一个示范性实施例中，本实用新型的固定圈901采用聚四氟乙烯橡胶，介质窗902采用Al₂O₃陶瓷材料。托盘600上面放置有由Nd-Fe-B永磁磁铁组成的磁场系统。工艺室通入Ar气作为工作气体，气压为1.0Pa。其工作过程为：微波功率源输出1000W的2.45GHz的微波，经传输回路引入到谐振腔开口面附近的橡胶圈901和介质窗902上，微波的输运由陶瓷窗902的外缘向中心移动，从而在工艺室一侧的陶瓷窗表面激发表面波并形成均匀的电场分布，在此电场和磁场的作用下，工艺室内形成了均匀大口径ECR等离子体。

Claims (7)

1.一种用于电子回旋共振等离子体源的谐振腔体装置，包括同轴波导、介质窗、法兰盘，其特征在于：

同轴波导(200)是由上圆波导(300)、锥形波导(500)和下圆波导管(400)三段波导管组成；

法兰盘(700)中间开有圆形窗口，法兰盘上固定有介质窗(902)，该法兰盘固定在同轴波导下方。

2.根据权利要求1所述的谐振腔体装置，其特征在于介质窗上设有无磁托盘(600)，该无磁托盘与同轴波导内导体(502)之间通过扼流圈(800)连接。

3.根据权利要求1所述的谐振腔体装置，其特征在于该法兰盘中间圆形窗口的外侧开有密封槽(903)，该密封槽中设有密封圈，介质窗(902)放置在密封槽上方，介质窗和法兰盘内壁之间设有固定橡胶圈(901)。

4.根据权利要求1所述的谐振腔体装置，其特征在于法兰盘的上外缘与同轴波导的外导体(501)的下外缘通过螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的谐振腔体装置，其特征在于无磁托盘(600)上设有永磁磁铁(905)。

6.根据权利要求1所述的谐振腔体装置，其特征在于锥形波导(500)的角度为45°。

7.根据权利要求1所述的谐振腔体装置，其特征在于扼流圈(800)为形圆环，该圆环横边(401)和竖边(402)的边长之和为微波波长的四分之一，其竖边底部固定在无磁托盘(600)上。

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