CN209676564U - 一种射频感应耦合线性离子源 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于离子束控制技术领域，具体涉及一种射频感应耦合线性离子源，包括离子源屏蔽外壳、射频耦合天线、用于传输射频功率并隔离放电室和天线室的电介质耦合窗、用于容纳放电等离子体的等离子体放电室侧壁、用于从等离子体放电室中抽取离子束的多栅极离子束引出系统、向放电室内提供初始电子和向离子束及基材中提供中和电子的射频中和器；它能在较大尺寸范围内产生高均匀性大面积窄长线状离子束流，适用于大面积基材的离子束清洗、刻蚀、薄膜沉积等工艺。

Description

一种射频感应耦合线性离子源

技术领域

本实用新型属于离子束控制技术领域，具体涉及一种射频感应耦合线性离子源。

背景技术

射频感应耦合离子源由于采用射频感应耦合产生等离子体，无内置电极，具有无污染、等离子体密度高等特点，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一种离子源。根据射频天线的结构形式，主要分两种-螺旋管形和盘香型。螺旋管形射频感应耦合离子源采用弹簧状螺旋天线，天线呈螺旋状盘绕于电介质放电室外侧,由于射频功率传输的趋肤效应,放电腔内电子被感应耦合电场加速沿着平行放电腔内壁方向做螺旋线运动,很难产生大面积高均匀性离子束。盘香型射频离子源采用平面螺旋型射频天线激发等离子体，其等离子体密度可达10¹¹-10¹²/cm³，比常规的电容耦合型射频放电等离子体密度高1～2个数量级，均匀性好，且易于大型化。这种离子源由于具有结构简单、无电极污染，离子束能量可控、束流密度均匀性好，可产生较大面积离子束等优点而成为目前在平板显示器、半导体和光学器件加工领域应用最为广泛的离子源之一。随着这些应用领域所要求离子束引出截面的不断增大，仅仅依靠增大口径存在很大局限性，基本已经达到了离子源的原理和结构极限。一方面是因为束斑增大，射频天线及电介质耦合窗的面积也必然增大，天线长度越大，电感越大，分布电容及天线两端的射频电压也越大，天线两端的高电压会引起射频天线与等离子体负载之间的容性耦合及射频天线放电打火，造成等离子体密度分布不均匀、射频电源与等离子体负载间的阻抗匹配不稳定、射频耦合效率低下等问题，过大的天线还会因驻波效应而使等离子体密度更不均匀。同时，因耦合窗隔离真空结构强度要求，电介质耦合窗越大，耦合窗的厚度就需增大，进一步降低耦合效率和等离子体密度分布的均匀性，太大的耦合窗已难以满足隔离真空和传输射频功率的双重要求。另一方面，束斑增大，大面积离子源引出栅极的设计、加工变得越来越困难，越大的引出栅极其变形量越难控制。传统大面积离子源栅极设计已基本达到了离子源结构的工程极限和材料的性能极限，形变控制及热稳定性问题已成为大面积离子源栅极设计不可逾越的技术瓶颈，很难进一步改善，制约了离子束束斑的进一步增大。

针对目前技术的上述局限和不足，需要一种能产生大面积、高均匀性离子束的离子源及利用该离子源的离子束加工处理设备，来满足大型工件的离子束处理要求，实现离子束技术在大面积工件上的工业化应用，进一步降低设备成本，简化工艺流程，提高工艺质量和工作效率。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的上述缺陷，本实用新型提供一种射频感应耦合线性离子源，它能在较大尺寸范围内产生高均匀性大面积窄长线状离子束流，适用于大面积基材的离子束清洗、刻蚀、薄膜沉积等工艺。

本实用新型的技术方案如下：

一种射频感应耦合线性离子源，包括离子源屏蔽外壳、射频耦合天线、用于传输射频功率并隔离放电室和天线室的电介质耦合窗、用于容纳放电等离子体的等离子体放电室侧壁、用于从等离子体放电室中抽取离子束的多栅极离子束引出系统、向放电室内提供初始电子和向离子束及基材中提供中和电子的射频中和器；

进一步的还包括向离子源屏栅、加速栅和地栅及提供偏置电压的离子束屏栅电源、加速栅电源、向射频耦合天线提供射频功率的射频功率发生器和匹配网络、向等离子体放电室内输入工作气体的供气系统以及向射频中和器提供电力的中和器射频电源、收集极电源和阳极电源；

离子源屏蔽外壳下端开口，为离子束引出通道，为防止离子源长时间工作温升过高，离子源屏蔽外壳侧壁有水冷结构；射频耦合天线位于离子源内腔上端，为单组“类运动场跑道型”平面螺旋型天线，外表面镀银并通过陶瓷绝缘子夹持方式固定在离子源屏蔽外壳侧壁，射频天线通过离子源屏蔽外壳上射频馈入接口与匹配网络、隔直电容及射频电源连接；

离子源等离子体放电室位于射频天线下面，等离子放电室侧壁上有进气孔，工作气体通过离子源屏蔽外壳侧壁和等离子放电室侧壁进气孔进入等离子体放电室，并且为了隔离离子源工作时等离子体放电室上的工作电压和离子源气路的地电位，离子源屏蔽外壳侧壁和等离子放电室侧壁之间的气路上装有高压绝缘气路装置；

为进一步提高放电室内等离子体的均匀性，通过多路送气结构向等离子体放电室内送气，气体分配器采用沿放电腔长方向供气的孔或缝结构，其下端设有悬浮挡板，并固定于等离子体放电侧壁上；

离子束引出系统位于放电室下端，由屏栅、加速栅和地栅组成；

射频感应耦合线性离子源束流下方外侧配有中和器。

等离子体放电室的电介质耦合窗上方设置有“梳状”法拉第静电屏蔽；为进一步提高射频放电等离子体的密度和均匀性，等离子体放电室侧壁和离子源屏蔽外壳之间安装有产生约束等离子体会切场的磁钢。

射频耦合天线为射频天线和射频天线组成的天线组，射频能量通过射频电源、射频电源A和匹配网络A、匹配网络B，隔直电容A、隔直电容B分别向射频耦合天线、射频耦合天线A馈入能量；

射频电源和的射频电压及功率大小独立调节，而其相位可以通过相位调节器控制，通过控制射频电源和的相位及功率能够进一步提高放电等离子体均匀性。

离子源屏蔽外壳为由金属材料制成的立方形箱体。

离子源等离子体放电室，为由电介质耦合窗、不锈钢等离子体放电室侧壁和离子束引出系统的屏栅构成的立方形腔体.

电介质耦合窗为石英或陶瓷材料。

等离子体放电室内端部气路距等离子体放电室侧壁窄边间距150-200mm，各气路之间间距为300-350mm；

栅极组件为窄长状设计，整体安装，采用钼、石墨等耐溅射材料整体制成；离子束引出区域的各栅极厚度不超过1.2mm，各栅极间距不超过1.5mm，栅极引出孔呈蜂窝状排列，且引出孔径不大于2.5mm。

本实用新型的有益效果在于：

实用新型采用真空室内置式窄长形的结构设计，离子源可以安装在工艺真空室内部，降低了电介质耦合窗的厚度，提高了射频耦合效率；并利用单组或多组类“运动场跑道型”平面螺旋型射频天线、会切场、及多路送气和悬浮挡板结构提高感应耦合放电等离子体均匀；采用“梳状”法拉第静电屏蔽，减少射频天线与放电等离子体间的容性耦合，降低了等离子体对耦合窗的刻蚀和污染。采用窄长多栅极引出结构设计，降低了栅极形变，该结构射频线性离子源射频感应耦合线性离子源能够提供高均匀性大面积窄长线性离子束流，在纵向长度方向可以做到米级，具有无污染，感应耦合效率高、束斑大，均匀性好，离子束能量和束流调节范围宽，结构简单，稳定性好，成本低，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。在利用本实用新型进行离子束处理工艺时，大面积基材可通过工件台在离子束宽度方向的扫描或连续运动，连续地经过离子束出口，从而实现对大基体面积的工件的处理。本实用新型解决了现有技术因离子束束斑面积局限等问题而难以适用的各种离子束处理装置和工艺，降低大面积基体或批量布置基体的离子束加工处理难度、简化工艺流程和控制、提高离子束处理效率，从而非常有效地实现对大面积基底的高效离子束工艺处理。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，包括大面积光栅、大面积半导体基材的清洗、刻蚀等。

附图说明

图1是本实用新型所提供的一种射频条形离子源具体实施方式1的结构示意图；

图2实施例1所示的射频感应耦合线性离子源在离子源长方向束流均匀性分布测定结果一例的图；

图3是本实用新型所提供的一种射频条形离子源具体实施方式2的结构示意图；

图4是本实用新型所提供的一种射频条形离子源具体实施方式3的结构示意图；

图中，1.离子源屏蔽外壳；2.等离子体放电室侧壁；3.气体分配器；4.电介质耦合窗；5.离子源内腔；6.高压绝缘气路装置；7.离子束引出系统；8.屏栅；9.加速栅10.地栅；11.高压气瓶；12.射频电源；13.中和器射频电源；14.中和器；15.中和器收集极电源；16.中和器阳极电源；17.等离子体放电室；18.悬浮挡板；19.射频耦合天线；20.气路；21.屏栅电源；22.加速电源；23.隔直电容A；24.“梳状”法拉第静电屏蔽；25.磁钢；26.射频电源A；27.隔直电容B28；射频耦合天线A。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

下面结合图1说明激光共振驱动弹丸注入系统的工作原理。

实施例一

如图1所示，一种射频感应耦合线性离子源，包括：离子源屏蔽外壳1、射频耦合天线19、用于传输射频功率并隔离放电室和天线室的电介质耦合窗4、用于容纳放电等离子体的等离子体放电室侧壁2、用于从等离子体放电室中抽取离子束的多栅极离子束引出系统7、向放电室内提供初始电子和向离子束及基材中提供中和电子的射频中和器14。进一步的还包括向离子源屏栅8、加速栅9和地栅10及提供偏置电压的离子束屏栅电源21、加速栅电源22、向射频耦合天线19提供射频功率的射频功率发生器12和匹配网络、向等离子体放电室内输入工作气体的供气系统以及向射频中和器14提供电力的中和器射频电源13、收集极电源15和阳极电源16。

离子源屏蔽外壳1为由金属材料制成的立方形箱体，下端开口，为离子束引出通道，为防止离子源长时间工作温升过高，离子源屏蔽外壳1侧壁有水冷结构。射频耦合天线19位于离子源内腔5上端，为单组“类运动场跑道型”平面螺旋型天线，外表面镀银并通过陶瓷绝缘子夹持方式固定在离子源屏蔽外壳1侧壁，射频天线通过离子源屏蔽外壳1上射频馈入接口与匹配网络、隔直电容23及射频电源12连接。

离子源等离子体放电室17位于射频天线19下面，为由电介质耦合窗4、不锈钢等离子体放电室侧壁2和离子束引出系统7的屏栅8构成的立方形腔体，电介质耦合窗4为石英或陶瓷材料。等离子放电室侧壁2上有进气孔，工作气体通过离子源屏蔽外壳1侧壁和等离子放电室侧壁2进气孔进入等离子体放电室5，并且为了隔离离子源工作时等离子体放电室17上的工作电压和离子源气路20的地电位，离子源屏蔽外壳1侧壁和等离子放电室侧壁2之间的气路上装有高压绝缘气路装置6。为进一步提高放电室内等离子体的均匀性，通过多路送气结构向等离子体放电室17内送气，其中，等离子体放电室17内端部气路距等离子体放电室侧壁2窄边间距150-200mm，各气路之间间距为300-350mm。气体分配器3采用沿放电腔长方向供气的孔或缝结构，其下端设有悬浮挡板，并固定于等离子体放电侧壁2上。

离子束引出系统7位于放电室下端，由屏栅8、加速栅9和地栅10组成。栅极组件为窄长状设计，整体安装，采用钼、石墨等耐溅射材料整体制成。离子束引出区域的各栅极厚度不超过1.2mm，各栅极间距不超过1.5mm，栅极引出孔呈蜂窝状排列，且引出孔径不大于2.5mm，以最大限度地增加栅极透明度，提高离子束引出效率。为减少或消除栅极组件在离子源工作时由于各栅极的不同工作温升而导致的栅极形变或栅间距的变化进而影响离子束的束流特性，提高离子源工作的稳定性、可靠性，栅极安装采用夹持方式及自适应调整张紧装置。离子源工作时屏栅上施加50-1500V的正偏压，加速栅上施加50-900V的负偏压。

为了帮助射频感应耦合线性离子源的起辉放电及中和离子束和基材上的电荷，射频感应耦合线性离子源束流下方外侧配有中和器14。

射频感应耦合线性离子源的工作方法是：首先中和器14起辉放电，产生电子束，通过在大面积线性射频离子源的屏栅8上施加矩形脉冲电压，把部分电子引入等离子体放电室。射频电源12通过匹配网络将射频能量馈入到射频耦合天线19，通过射频天线19在放电腔内感应出射频电场，射频电场加速等离子体放电腔内的电子，从而离化工作气体产生射频感应耦合等离子体，通过屏栅电源21、加速栅电源22分别在屏栅8和加速栅9上施加50-1500V、50-900V偏压从等离子体中抽取离子形成离子束。通过调节输入的射频功率、馈入的工作气体、及离子源栅极上的工作电压，可以非常灵活方便地调节离子束能量、流密度和离子束的均匀性等束流特性；并通过调节中和器发射电子的能量和流强，使离子束和基片上的电荷积累得到充分中和。该射频感应耦合线性离子源便于适应各种不同的离子束处理工艺，从而非常有效地对大面积基底或批量化基底进行高效的离子束工艺处理。该大面积射频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，距离子源100mm处，离子流密度最高可达0.56mA/cm²，其中离子束在长方向1000mm范围内束流不均匀性优于±7％如图2。该离子源具有维护率低、结构简单、易拆卸维护、寿命长，能量利用率高等特点，并在惰性和氧化环境中均能实现可靠一致的操作。

实施例二

如图3所示，在具体实施方式1的基础上，等离子体放电室17的电介质耦合窗4上方设置有“梳状”法拉第静电屏蔽24，以减少天线与放电等离子体间的容性耦合，提高放电效率，降低等离子体对耦合窗的刻蚀和污染。为进一步提高射频放电等离子体的密度和均匀性，等离子体放电室侧壁2和离子源屏蔽外壳1之间安装有产生约束等离子体会切场的磁钢25。

实施例三

如图1所示，在具体实施方式1的基础上，射频耦合天线为射频天线19和射频天线28组成的天线组，射频能量通过射频电源12、射频电源A26和匹配网络A、匹配网络B，隔直电容A23、隔直电容B27分别向射频耦合天线19、射频耦合天线A28馈入能量。射频电源12和26的射频电压及功率大小独立调节，而其相位可以通过相位调节器控制。通过控制射频电源12和26的相位及功率能够进一步提高放电等离子体均匀性。

Claims (7)

1.一种射频感应耦合线性离子源，包括离子源屏蔽外壳、射频耦合天线、用于传输射频功率并隔离放电室和天线室的电介质耦合窗、用于容纳放电等离子体的等离子体放电室侧壁、用于从等离子体放电室中抽取离子束的多栅极离子束引出系统、向放电室内提供初始电子和向离子束及基材中提供中和电子的射频中和器；

进一步的还包括向离子源屏栅、加速栅和地栅及提供偏置电压的离子束屏栅电源、加速栅电源、向射频耦合天线提供射频功率的射频功率发生器和匹配网络、向等离子体放电室内输入工作气体的供气系统以及向射频中和器提供电力的中和器射频电源、收集极电源和阳极电源；

其特征在于：

离子源屏蔽外壳下端开口，为离子束引出通道，为防止离子源长时间工作温升过高，离子源屏蔽外壳侧壁有水冷结构；射频耦合天线位于离子源内腔上端，为单组“类运动场跑道型”平面螺旋型天线，外表面镀银并通过陶瓷绝缘子夹持方式固定在离子源屏蔽外壳侧壁，射频天线通过离子源屏蔽外壳上射频馈入接口与匹配网络、隔直电容及射频电源连接；

离子源等离子体放电室位于射频天线下面，等离子放电室侧壁上有进气孔，工作气体通过离子源屏蔽外壳侧壁和等离子放电室侧壁进气孔进入等离子体放电室，并且为了隔离离子源工作时等离子体放电室上的工作电压和离子源气路的地电位，离子源屏蔽外壳侧壁和等离子放电室侧壁之间的气路上装有高压绝缘气路装置；

为进一步提高放电室内等离子体的均匀性，通过多路送气结构向等离子体放电室内送气，气体分配器采用沿放电腔长方向供气的孔或缝结构，其下端设有悬浮挡板，并固定于等离子体放电侧壁上；

离子束引出系统位于放电室下端，由屏栅、加速栅和地栅组成；

射频感应耦合线性离子源束流下方外侧配有中和器。

2.如权利要求1所述的一种射频感应耦合线性离子源，其特征在于：等离子体放电室的电介质耦合窗上方设置有“梳状”法拉第静电屏蔽；为进一步提高射频放电等离子体的密度和均匀性，等离子体放电室侧壁和离子源屏蔽外壳之间安装有产生约束等离子体会切场的磁钢。

3.如权利要求1所述的一种射频感应耦合线性离子源，其特征在于：射频耦合天线为射频天线和射频天线组成的天线组，射频能量通过射频电源、射频电源A和匹配网络A、匹配网络B，隔直电容A、隔直电容B分别向射频耦合天线、射频耦合天线A馈入能量；

射频电源和的射频电压及功率大小独立调节，而其相位可以通过相位调节器控制，通过控制射频电源和的相位及功率能够进一步提高放电等离子体均匀性。

4.如权利要求1所述的一种射频感应耦合线性离子源，其特征在于：离子源屏蔽外壳为由金属材料制成的立方形箱体。

5.如权利要求1所述的一种射频感应耦合线性离子源，其特征在于：离子源等离子体放电室，为由电介质耦合窗、不锈钢等离子体放电室侧壁和离子束引出系统的屏栅构成的立方形腔体。

6.如权利要求1所述的一种射频感应耦合线性离子源，其特征在于：电介质耦合窗为石英或陶瓷材料。

7.如权利要求1所述的一种射频感应耦合线性离子源，其特征在于：等离子体放电室内端部气路距等离子体放电室侧壁窄边间距150-200mm，各气路之间间距为300-350mm；

栅极组件为窄长状设计，整体安装，采用钼、石墨等耐溅射材料整体制成；离子束引出区域的各栅极厚度不超过1.2mm，各栅极间距不超过1.5mm，栅极引出孔呈蜂窝状排列，且引出孔径不大于2.5mm。