CN219759522U - 中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，其为结合中空阴极放电机制及变压器耦合电浆机制。此变压器耦合电浆源包含具有一环形通道之反应腔以及铁氧体变压器，其中中空阴极放电机制先在反应腔中分区域使得工作气体高效率产生电浆，借以使得变压器耦合电浆机制得以容易形成环形电浆结构，借此可在高气压及高气体流量下产生高功率及高密度电浆。本实用新型借由对硬件的改进以克服现有技术由硬件所导致的问题。
Description
技术领域
本实用新型是有关于一种电浆源，特别是有关于一种中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源。
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合电浆放电，其主要机制是如图1(A)及图1(B)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之一端为气体入口506，另一端为出口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的一次侧线圈产生磁场，以磁芯中磁通量在环形真空腔500中感应电场以驱动电子漂移电流沿着环形真空腔500形成闭合路径的流动，并且形成环形的电浆结构成为变压器单圈的二次侧，而达成极高的耦合效率。故此机制亦称为变压器耦合电浆(Transformer coupled plasma，TCP)。但环形真空腔500之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穏定电浆。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之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粒子的电浆源。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(standardliters per minute，每分钟标准升))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，例如加装高电压装置，或是在电性隔离的部分腔体上引入高交流电压，透过真空窗(如，石英或陶瓷)产生局部射频辉光放电。但高电压放电装置及真空窗的使用寿命，使得妥善率受到限制。但，即便如此，高电压放电装置仍不足以提供TCP在高气压高流量下的稳定的激发条件，因此有文献提出在TCP驱动电源电路上加入共振电路以产生高电压(1-10kV)配合高电压放电装置以有效产生区域放电，借以进而产生TCP所需之环状电浆结构。但是环状电浆产生后如果仍使用同样的共振电压，则会产生极大的电流造成功率组件损害。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，则无法保护功率组件，将致使功率组件损害。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。
另一方面，如已知技术显示在圆柱形的放电结构中(如图2所示)，在圆柱600上和另一金属602上加上相对电压，在适当的操作条件下可以产生中空阴极效应(hollowcathode effect)，使得快电子和离子的更有效利用，可以在相对低的电压下产生高密度电浆，即中空阴极放电(hollow cathode discharge)。在此中空阴极放电效应中，快电子被静电限制并且可以在相对的阴极表面之间振荡(即，形成俗称之摆动电子，pendularelectrons)，因此在阴极下降(cathode-fall)区域中获得的大部分电子能量都将耗散在电浆中。此外，增加了入射到阴极表面以产生二次电子发射的电浆离子的比例。依据研究结果，圆柱形结构的放电特性显示，当电压小时，电流少，呈现低密度的扩散性辉光放电(diffuse glow)；电压增加，电流增加，放电进入呈现异常光晕放电(abnormal glowdischarge，AGD)；电压再增加，此时将引起中空阴极放电效应，随着电流的增加速度变大，电浆密度也会大幅提高，并在圆柱形结构形成大面积的电浆区域。中空阴极放电产生的电压受圆柱形结构的尺寸及操作气压决定，通常为数百伏特(300-500V)。由此可知，现有技术仍有相当多需要改善之处，且现有技术的问题皆由硬件所导致。
实用新型内容
有鉴于上述习知技术的问题，本实用新型结合中空阴极放电机制及变压器耦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。本实用新型之结构设计可以有效提升变压器耦合电浆源产生高密度电感性电浆模式的稳定性，借由对硬件的改进以克服上述现有技术由硬件所导致的问题。
本实用新型的目的即是针对上述现有TCP电浆技术的缺点加以改进。主要的技术在于整合数个中空阴极放电(hollow cathode discharge)结构及TCP变压器耦合电浆的反应腔组成复合式电浆源。本实用新型利用中空阴极放电机制在反应腔中分区域有效的产生电浆后，使得TCP机制得以容易形成环形电浆结构，进行有效耦合高功率以产生高密度电浆。如此，一方面可去除必须使用高电压点火装置及共振操作的缺点，同时因中空阴极放电机制负责激发及维持初始电浆，可以解决TCP弱电场的缺点，并提高电浆稳定性。
为达前述目的，本实用新型提出一种中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，包含：一反应腔，具有一环形通道；以及至少一铁氧体变压器，包含缠绕有一第一线圈之一第一铁氧体磁芯、缠绕有一第二线圈之一第二铁氧体磁芯及一驱动功率源，其中该反应腔之该环形通道穿过该第一铁氧体磁芯与该第二铁氧体磁芯之间之一中空区域，该驱动功率源施加具有一第一电压(V1)之一交流电源于该第一线圈以产生一交变磁场于该第一铁氧体磁芯上，其中，该第二线圈借由感应该交变磁场而产生一第二电压(V2)，该第二电压(V2)被施加于该反应腔之至少一中空圆柱管上，用以经由一中空阴极放电机制将该环形通道中之一工作气体激发成一电浆，其中，该反应腔之该环形通道经由一变压器耦合电浆机制感应该交变磁场而产生一感应电场，用以激发该电浆而在该反应腔之该环形通道中形成具有一闭合路径之一电流，借由进一步游离该工作气体以提升该电浆之密度。
其中，该反应腔为一环形腔体，包含至少一中空腔体、该至少一中空圆柱管以及至少一阻隔结构，该阻隔结构于该中空腔体与该至少一中空圆柱管之间形成至少一间隙以提供至少一电路断路，该至少一中空圆柱管选自于由双开口金属管体及单开口金属管体所组成之族群。
其中，该反应腔为一环形腔体，包含复数个中空腔体、复数个中空圆柱管与复数个阻隔结构，该复数个阻隔结构于该复数个中空腔体与该复数个中空圆柱管之间形成复数个间隙以提供复数个电路断路。
其中，该复数个中空腔体为复数个金属腔体，该复数个中空圆柱管为复数个双开口金属管体，该复数个双开口金属管体经由该复数个阻隔结构连接该复数个金属腔体，借以组成该环形腔体。
其中，该复数个金属腔体之数量为两个，该复数个金属腔体分别组成该环形腔体之顶侧与底侧，该复数个双开口金属管体之数量为两个，该复数个双开口金属管体组成该环形腔体之两侧边，该复数个双开口金属管体之两端经由该复数个阻隔结构连接该复数个金属腔体。
其中，该复数个金属腔体之数量为四个，该复数个金属腔体分别组成该环形腔体之四个角落，该复数个双开口金属管体之数量为四个，该复数个双开口金属管体分别组成该环形腔体之四个侧边，该复数个双开口金属管体之两端经由该复数个阻隔结构连接相邻之两个该复数个金属腔体。
其中，该复数个中空腔体为复数个金属腔体、该复数个中空圆柱管为复数个双开口金属管体与复数个单开口金属管体，该复数个双开口金属管体与该复数个单开口金属管体经由该复数个阻隔结构连接该复数个金属腔体。
其中，该复数个金属腔体之数量为两个，该复数个金属腔体分别组成该环形腔体之顶侧与底侧，该复数个双开口金属管体之数量为两个，该复数个双开口金属管体组成该环形腔体之两侧边，该复数个单开口金属管体之数量为两个，该复数个单开口金属管体分别连接于该复数个金属腔体上。
其中，该复数个中空腔体为复数个金属腔体、该复数个中空圆柱管为复数个单开口金属管体，该复数个单开口金属管体经由该复数个阻隔结构连接该复数个金属腔体。
其中，该复数个金属腔体之数量为两个，该复数个金属腔体分别组成该环形腔体之顶侧与底侧，该复数个单开口金属管体之数量为两个，该复数个单开口金属管体分别连接于该复数个金属腔体上。
其中，该第二线圈借由感应该交变磁场而产生该第二电压(V2)，且该第二电压(V2)并联式施加于该复数个中空圆柱管上，该第二电压(V2)之数值为该第一电压(V1)之数值乘以M/N，其中M为该第二线圈之圈数，N为该第一线圈之圈数。
其中，缠绕有该第一线圈之该第一铁氧体磁芯作为一变压器结构之一一次侧，该反应腔之该环形通道作为该变压器结构之一二次侧，借以利用该变压器耦合电浆机制于该环形通道中产生该感应电场。
其中，更包含至少一控制器电性连接于该第二线圈与该中空圆柱管之间，用以控制供应该第二电压至该反应腔之该中空圆柱管上。
其中，该反应腔更具有一气体入口及一出口分别位于该反应腔之该环形通道之两端。
其中，各该复数个阻隔结构包含一陶瓷环。
其中，各该复数个阻隔结构更包含一密封环。
其中，该反应腔为阳极化处理铝制反应腔。
其中，该交流电源之输出频率之范围从100kHz至500kHz。
其中，该交流电源为定功率或定电流，该交流电源之输出电压之范围为从300伏特至500伏特。
其中，该工作气体之气压为从0.5Torr至10Torr。
其中，该工作气体之气体流量为从10-2slm至约102slm。
承上所述，依本实用新型之中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，借由对硬件的改进以克服现有技术由硬件所导致的问题，具有一或多个优点或技术功效：
(1)本实用新型借由结合中空阴极放电结构与变压器耦合电浆结构，可在高气压及高气体流量下产生高功率及高密度电浆。
(2)本实用新型借由结合中空阴极放电结构与变压器耦合电浆结构，可去除必须使用高电压点火装置及共振操作的缺点。
(3)本实用新型借由结合中空阴极放电结构与变压器耦合电浆结构，可解决TCP弱电场的缺点，并提高电浆稳定性。
(4)本实用新型借由结合中空阴极放电结构与变压器耦合电浆结构，所需的操作电压小，可以大幅减少真空反应腔体的破坏，并延长使用寿命。
兹为使钧审对本实用新型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为习知技术之环形低电场电浆源之环形真空腔之示意图，其中图1(A)为立体示意图，图1(B)为剖面示意图。
图2为习知技术之圆柱形放电结构之剖面示意图。
图3为本实用新型之中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源之运作流程图。
图4为本实用新型之中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源之第一种实施范例之剖面示意图。
图5为本实用新型之中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源之第二种实施范例之剖面示意图。
图6为本实用新型之中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源之第三种实施范例之剖面示意图。
图7为本实用新型之中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源之第四种实施范例之剖面示意图。
图8为本实用新型之中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源之系统运作示意图。
附图标记说明：
10：反应腔
11：环形通道
12：气体入口
13：出口
14：中空腔体
15：中空圆柱管
16：阻隔结构
16a：陶瓷环
16b：密封环
17：金属腔体
18：双开口金属管体
19：单开口金属管体
20：工作气体
22：电浆
30：铁氧体变压器
32、34：铁氧体变压器磁芯
32a：第一线圈
32b：第一铁氧体磁芯
34a：第二线圈
34b：第二铁氧体磁芯
35：中空区域
36：驱动功率源
40：控制器
100：中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源
500：环形真空腔
502：铁氧体变压器磁芯
504：陶瓷环形片
506：气体入口
508：出口
600：圆柱
602：金属
A1～A4：区域
C1～C4：控制讯号
F：磁通量
M、N：圈数
V1：第一电压
V2：第二电压
I1：第一电流
I2：第二电流
S10、S20：步骤
具体实施方式
为利了解本实用新型之技术特征、内容与优点及其所能达成之功效，兹将本实用新型配合图式，并以实施例之表达形式详细说明如下，而其中所使用之图式，其主旨仅为示意及辅助说明书之用，未必为本实用新型实施后之真实比例与精准配置，故不应就所附之图式的比例与配置关系解读、局限本实用新型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，在全篇说明书与权利要求书所使用的用词，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。某些用以描述本实用新型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实用新型的描述上额外的引导。
关于本文中如使用“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本实用新型，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。
本实用新型提供了一种复合式电浆源，其为结合中空阴极放电(Hollow CathodeDischarge)机制及变压器耦合电浆(Transformer Coupled Plasma，TCP)机制。图3为本实用新型之中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源之运作流程图。如图3所示，本实用新型之运作方法为进行中空阴极放电步骤(步骤S10)使得一工作气体形成一电浆，以及进行变压器耦合电浆步骤(步骤S20)有效耦合能量，使得此电浆放电产生电子漂移电流，并且更进一步有效游离工作气体以产生高功率及高密度电浆。本实用新型利用中空阴极放电机制在反应腔中分区域使工作气体有效地产生电浆后，使得TCP机制得以容易形成环形电浆结构，进行有效耦合高功率以产生高密度电浆，本实用新型可在高气压及高气体流量(例如，大于1Torr与10slm)下产生高功率及高密度电浆。
请参阅图4至图8，图4为本实用新型之中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源之第一种实施范例之剖面示意图。图5本实用新型之中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源之第二种实施范例之剖面示意图。图6本实用新型之中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源之第三种实施范例之剖面示意图。图7本实用新型之中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源之第四种实施范例之剖面示意图。图8为本实用新型之中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源之系统运作示意图。本实用新型所揭示之一种中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源100包含反应腔10以及至少一铁氧体变压器30。反应腔10为具有环形通道11之环形腔体，包含中空腔体14、中空圆柱管15与阻隔结构16。反应腔10具有气体入口12及出口13分别位于反应腔10之环形通道11之两端。工作气体20经由气体入口12导入反应腔10之环形通道11中，且游离后之工作气体(即，电浆22)经由出口13导出至反应腔10之外侧。上述之环形通道11及环形腔体之外形不限于圆圈形状，亦可为正方形状或矩形形状等任何具有中间空心区域(简称，中空区域)之环绕形状。此外，本实用新型之中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源100之反应腔10例如连接或整合至制程室(未绘示)，借此可经由出口13供应电浆22至该制程室中。
本实用新型所使用之工作气体20之种类并无限定，其可依据实际制程需求而定。举例而言，工作气体20可例如包括惰性气体、反应气体或其组合。本实用新型所揭示之中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源100之特色在于借由结合中空阴极放电机制及变压器耦合电浆机制，无须加装高电压电极或引入高交流电压以产生局部射频辉光放电，就可解决传统高气压高流量的操作条件下，TCP机制的感应电磁场的强度不足以点燃电浆放电的问题。由于本实用新型不需使用外部高电压放电装置产生局部射频辉光放电，所以不会产生传统TCP操作妥善率受到高电压放电装置及真空窗(如石英或陶瓷)使用寿命限制的问题。本实用新型所使用之工作气体20之气压之范围从约10-3Torr至约103Torr，且可为上述气压范围中之任意数值与范围，例如从约0.5Torr至约10Torr，例如从约0.5Torr至约4Torr，气压之数值可依据工作气体不同或气体流量而调整。工作气体20之气体流量之范围从约10- 2slm至约102slm，且可为上述气体流量范围中之任意数值与数值范围，例如从约5slm至约20slm，气体流量之数值可依据工作气体不同或气压而调整。依据本实用新型之结构设计，工作气体20之气压可高于1Torr，气体流量可高于10slm，故可适用于涉及高流量(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)，以实现工作气体20的高解离及活化的要求。
本实用新型之中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源100之铁氧体变压器30包含一对铁氧体变压器磁芯32、34以及驱动功率源36。第一铁氧体磁芯32b连接第二铁氧体磁芯34b且共同组成环状铁氧体磁芯，其中铁氧体变压器磁芯32包含缠绕有第一线圈32a之第一铁氧体磁芯32b，铁氧体变压器磁芯34包含缠绕有第二线圈34a之第二铁氧体磁芯34b。反应腔10之环形通道11穿过第一铁氧体磁芯32b与第二铁氧体磁芯34b之间之中空区域35。举例而言，如图4至图7所示之实施态样，反应腔10之环形通道11穿绕(即，穿越及环绕)环状铁氧体磁芯之中空区域35。铁氧体变压器30之驱动功率源36电性连接铁氧体变压器磁芯32之第一线圈32a，借由直接施加具有第一电压(V1)之交流电源于第一线圈32a，产生交变磁场于第一铁氧体磁芯32b上。
如图4至图7所示之实施态样，本实用新型之反应腔10为由至少一中空腔体14、至少一中空圆柱管15与至少一阻隔结构16互相接通及组合而成之具有环形通道11之环形腔体。阻隔结构16位于中空腔体14与中空圆柱管15之间，用以于中空腔体14与中空圆柱管15之间形成至少一间隙，借此可提供至少一电路上之断路(或称，电路断路)。为便于说明本实用新型之运作方式，本实用新型以反应腔10包含复数个中空腔体14、复数个中空圆柱管15与复数个阻隔结构16作为说明范例，其中复数个阻隔结构16位于复数个中空腔体14与复数个中空圆柱管15之间以形成复数个间隙，借以提供复数个电路断路。反应腔10例如为阳极化处理铝制反应腔，借此可适用于高流量的腐蚀性活化粒子(如，NF3、SF6电浆)。阻隔结构16例如包含陶瓷环16a及密封环16b之组合结构，但不限于此，只要可于中空腔体14上形成电路断路，且使得反应腔10保持真空密封，即属于本实用新型请求保护之范围。举例而言，密封环16b可例如为O形环等弹性体以提供可拆卸式真空密封，或者例如借由固定式接合以提供永久性真空密封。然而，只要反应腔10可保持真空密封，本实用新型亦可选择性省略密封环16b。
在本实用新型中，反应腔10例如由复数段腔体(即上述之中空腔体14与中空圆柱管15)相接而成，中空腔体14与中空圆柱管15之材质可为相同或不相同，惟为便于说明，本实用新型以材质相同之中空腔体14与中空圆柱管15作为说明范例。本实用新型例如将铝制反应腔进行阳极化处理形成保护膜，借以获得阳极化处理铝制反应腔。但是，本实用新型之反应腔10之材质不限于上述举例，任何材质只要适于电浆22生成即属于本实用新型请求保护之范围。举例而言，反应腔10可例如由导电材料组成，或由导电及介电质材料二者组成。适合的导电材料例如包含铝、铜、镍及钢等金属，或者是反应腔10之材质亦可为经涂布之金属，例如阳极化的铝或镀镍的铝。此外，若反应腔10由导电腔体及介电质材料腔体组接形成，则本实用新型亦可以此介电质材料腔体替代上述之阻隔结构16。
反应腔10之环形通道11穿过第一铁氧体磁芯32b与第二铁氧体磁芯34b之间之中空区域35。驱动功率源36直接施加具有第一电压(V1)之交流电源于铁氧体变压器30之第一线圈32a(即，以铁氧体变压器磁芯32作为一次侧电路，或称主要电路)，因此依据变压器耦合电浆机制，反应腔10可作为铁氧体变压器30之二次侧，意即一旦工作气体离子化，则生成于环形通道11中之电浆22即作为铁氧体变压器30之次要电路，所以上述生成于第一铁氧体磁芯32b上之交变磁场可用以在反应腔10之环形通道11中感应出环形电场。其中，若第一线圈32a的圈数为N，其中N例如为任意数值，则在反应腔10上的感应的电压为驱动功率源36的1/N，而此电压则将平均分配在反应腔10之各段腔体相接的间隙(即阻隔结构16所提供之电路断路之位置)。以8个间隙为例，此电压为驱动功率源36的电压的1/8N。由于此间隙电压较难直接将工作气体20激发成电浆22，因此本实用新型改以中空阴极放电机制辅助激发电浆22。
续言之，请参阅图8，同时请一并参阅图3至图7，由于驱动功率源36输入第一电流I1以直接施加具有第一电压(V1)之交流电源于铁氧体变压器30之一次侧线圈(即，第一线圈32a)，因此铁氧体变压器30之二次侧线圈(即，第二线圈34a)可借由感应交变磁场之磁通量F而产生第二电流I2及第二电压(V2)。本实用新型之特色在于将第二电压(V2)施加于反应腔10上，例如将相同之第二电压(V2)施加在反应腔10之各段腔体上，借以经由中空阴极放电机制，将环形通道11中之工作气体20激发成电浆22。举例而言，上述之第二电压(V2)例如以并联方式和复数个中空圆柱管15相接，使其例如为具有相同电压，其中第二电压(V2)之数值为第一电压(V1)之数值乘以(M/N)，其中M为第二线圈34a之圈数，N为第一线圈32a之圈数，M与N例如为任意数值，其中采用适当的圈数比，此第二电压V2可例如超过约500伏特，进而经由中空阴极放电的物理机制在中空圆柱管15中激发稳定电浆。本实用新型之中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源100可选择性包含至少一控制器40，其例如电性连接于第二线圈34a与中空圆柱管15之间，控制器40可依据实际需求选择性产生对应之控制讯号(如，图4至图5所示之控制讯号C1～C4或图6至图7所示之控制讯号C1～C2)，用以控制将上述感应所得之第二电压(V2)供应至对应于复数个中空圆柱管15之反应腔10之复数个区域(例如区域A1～A4)上，借以经由中空阴极放电机制，将环形通道11中之工作气体20激发成电浆22。其中，由于本实用新型所属技术领域中具有通常知识者依据本实用新型前述内容，应可明了如何供应第二电压(V2)至反应腔10上以及如何以控制器40依赖习知软件与程序控制供应第二电压(V2)至反应腔10上，进而执行中空阴极放电机制，故此处不另赘述。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者依据本实用新型揭示内容应当可清楚知道本实用新型之中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源并非对于软件或程序之改善，而是借由对硬件的改进及依赖习知软件与程序，结合中空阴极放电机制及变压器耦合电浆机制，使得变压器耦合电浆机制得以容易形成环形电浆结构。
本实用新型之特色在于可经由变压器耦合电浆机制感应上述之交变磁场而在反应腔10之环形通道11产生感应电场，用以激发经由中空阴极放电机制所产生之电浆22，而在反应腔10之环形通道11中形成具有闭合路径之电流(电子漂移电流)，并且更进一步游离工作气体20以提升电浆22之密度。简言之，本实用新型利用中空阴极放电机制在反应腔10中分区域有效地产生电浆22，使得变压器耦合电浆机制得以容易形成环形电浆结构，进行有效耦合高功率以产生高密度电浆。
在本实用新型所示例之图4至图7中，反应腔10之复数个中空圆柱管15例如为选自于由双开口金属管体18及单开口金属管体19所组成之族群，亦即中空圆柱管15可选择性为双开口金属管体18、单开口金属管体19或者是双开口金属管体18及单开口金属管体19。惟，任何外型、材质或尺寸之中空圆柱管15，只要可供进行变压器耦合电浆机制，即属于本实用新型请求保护之范围。上述之双开口金属管体是指金属管体为中空管且其两相对侧皆为具有开口之开口端。上述之单开口金属管体是指金属管体为中空管且其两相对侧之一者为具有开口之开口端，两相对侧之另一者为闭合端。
以图4所示之第一实施态样为例，复数个中空腔体14为四个金属腔体17，复数个中空圆柱管15为四个双开口金属管体18，复数个阻隔结构16之数量为八个，其可构成八个间隙。其中，四个金属腔体17分别组成环形腔体之四个角落，且其外型例如为如图4所示。四个双开口金属管体18分别组成环形腔体之四个侧边，至于八个阻隔结构16则分别位于相邻之金属腔体17与双开口金属管体18之间，借以共同组成具有环形通道11之环形腔体。
在图5所示之第二实施范例中，复数个中空腔体14为两个金属腔体17，复数个中空圆柱管15为两个双开口金属管体18及两个单开口金属管体19，复数个阻隔结构16之数量为六个，其可于完整回路上构成四个间隙。其中，两个金属腔体17分别组成环形腔体之顶侧与底侧，且其外型例如为如图5所示，两个双开口金属管体18组成环形腔体之两侧边，两个单开口金属管体19分别位于两个金属腔体17之侧边，至于六个阻隔结构16则分别位于相邻之金属腔体17与双开口金属管体18之间以及位于金属腔体17与单开口金属管体19之间，借以共同组成具有环形通道11之环形腔体。若第一线圈32a的圈数为N，则在反应腔10上的感应的电压为驱动功率源36的1/N，而此电压则将平均分配在各段腔体相接的间隙(即，阻隔结构16的位置)，以4个间隙为例，则此电压为驱动功率源36的电压的1/4N。
以图6所示之第三实施态样为例，复数个中空腔体14为两个金属腔体17，复数个中空圆柱管15为两个双开口金属管体18，复数个阻隔结构16之数量为四个，意即包含四组陶瓷环16a及密封环16b之组合结构，其可构成四个间隙。其中，两个金属腔体17分别组成环形腔体之顶侧与底侧，且其外型例如为如图6所示，两个双开口金属管体18分别组成环形腔体之两侧边，至于四个阻隔结构16则分别位于相邻之金属腔体17与双开口金属管体18之间，借以共同组成具有环形通道11之环形腔体。
在图7所示之第四实施范例中，复数个中空腔体14为两个金属腔体17，复数个中空圆柱管15为复数个单开口金属管体19，例如两个单开口金属管体19，复数个阻隔结构16之数量为四个，其可于完整回路上构成两个间隙。两个金属腔体17分别组成环形腔体之四周，且其外型例如为如图7所示，两个单开口金属管体19分别位于两个金属腔体17之侧边，其中两个阻隔结构16分别位于金属腔体17与单开口金属管体19之间，另两个阻隔结构16则分别位于金属腔体17上，借以共同组成具有环形通道11之环形腔体。其中，复数个单开口金属管体19虽以两个金属管体作为范例，惟单开口金属管体19之数量亦可依据实际需求而选择性为大于两个，例如四个或以上。
简言之，本实用新型之变压器耦合电浆技术可使得电浆22形成环形结构，所以能够非常有效的把能量传入电浆22，借此反应腔10中的环形结构电浆可构成变压器耦合的二次侧，进行电感式能量反应。本实用新型之中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源是利用中空阴极放电机制于反应腔10中产生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22提供充分的自由电子，并经由铁氧体变压器30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，借以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22，但与许多电感耦合电浆设备一样，感应电场的强度(10V/cm)不足以击穿工作气体20，形成环形电浆结构。尤其在高气压高气体流量下，虽然使用高电压装置(大于1kV)在反应腔10(即，真空腔)中产生初始放电也能达到点燃电浆22的目标，但是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之真空反应腔体的破坏。尤其，变压器耦合电浆是属于低电场强度的机制，当气压或气流有扰动时，例如在制程转化工作气体流量时，极易造成电浆不稳现象而破坏环形电浆结构，进而导致电浆熄灭的情况发生。因此，本实用新型利用反应腔10之结构分段结合中空阴极电浆机制，使得环形电浆结构容易形成，同时也提高环形电浆结构在气压或气流有扰动时的稳定性。相对于传统技术，本实用新型所需的操作电压小，可以大幅减少真空反应腔体的破坏，增加反应腔10之使用寿命。
此外，本实用新型之驱动TCP电浆的电源(即，驱动功率源36)例如由交流电源与变压器组成。以驱动功率源36为交流电源举例，其所采用之交流电源频率以适合于驱动电浆、功率组件的耐电压及耐电流及铁氧体变压器磁芯32、34损耗做适当的选择，其范围例如从约100kHz至约500kHz。交流电源可为定功率或定电流操作。输出电压之范围例如从约300伏特至约500伏特，或者可例如为数百伏特中之任意数值或任意范围(例如从约300伏特至约350伏特)。在传统技术中，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，对于功率组件造成很大的挑战。然而，由于在本实用新型中因为初期中空阴极放电的强电场及效率高可以激发一定密度的电浆，故能大幅减少负载阻抗的动态变化，降低功率组件发生问题的机率。同时也不需要如传统技术采用共振电路与非共振电路互操作的方式，故本实用新型可降低电路的复杂性以提高稳定度及妥善率。
综上所述，本实用新型之中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，借由对硬件的改进以克服现有技术由硬件所导致的问题，其可具有一或多个下述优点：
(1)本实用新型借由结合中空阴极放电结构与变压器耦合电浆结构，可在高气压及高气体流量下产生高功率及高密度电浆。
(2)本实用新型借由结合中空阴极放电结构与变压器耦合电浆结构，可去除必须使用高电压点火装置及共振操作的缺点。
(3)本实用新型借由结合中空阴极放电结构与变压器耦合电浆结构，可解决TCP弱电场的缺点，并提高电浆稳定性。
(4)本实用新型借由结合中空阴极放电结构与变压器耦合电浆结构，所需的操作电压小，可以大幅减少真空反应腔体的破坏，并延长使用寿命。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本实用新型之精神与范畴，而对其进行之等效修改或变更，均应包含于后附之权利要求书中。
Claims (21)
1.一种中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，其特征在于，至少包含：
一反应腔，具有一环形通道；以及
至少一铁氧体变压器，包含缠绕有一第一线圈之一第一铁氧体磁芯、缠绕有一第二线圈之一第二铁氧体磁芯及一驱动功率源，其中该反应腔之该环形通道穿过该第一铁氧体磁芯与该第二铁氧体磁芯之间之一中空区域，
其中，该驱动功率源施加具有一第一电压之一交流电源于该第一线圈以产生一交变磁场于该第一铁氧体磁芯上，
其中，该第二线圈借由感应该交变磁场而产生一第二电压，该第二电压被施加于该反应腔之至少一中空圆柱管上，用以经由一中空阴极放电机制将该环形通道中之一工作气体激发成一电浆，
其中，该反应腔之该环形通道经由一变压器耦合电浆机制感应该交变磁场而产生一感应电场，用以激发该电浆而在该反应腔之该环形通道中形成具有一闭合路径之一电流，借由进一步游离该工作气体以提升该电浆之密度。
2.如权利要求1所述的中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，其特征在于，其中该反应腔为一环形腔体，包含至少一中空腔体、该至少一中空圆柱管以及至少一阻隔结构，该阻隔结构于该中空腔体与该至少一中空圆柱管之间形成至少一间隙以提供至少一电路断路，该至少一中空圆柱管选自于由双开口金属管体及单开口金属管体所组成之族群。
3.如权利要求1所述的中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，其特征在于，其中该反应腔为一环形腔体，包含复数个中空腔体、复数个中空圆柱管与复数个阻隔结构，该复数个阻隔结构于该复数个中空腔体与该复数个中空圆柱管之间形成复数个间隙以提供复数个电路断路。
4.如权利要求3所述的中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，其特征在于，其中该复数个中空腔体为复数个金属腔体，该复数个中空圆柱管为复数个双开口金属管体，该复数个双开口金属管体经由该复数个阻隔结构连接该复数个金属腔体，借以组成该环形腔体。
5.如权利要求4所述的中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，其特征在于，其中该复数个金属腔体之数量为两个，该复数个金属腔体分别组成该环形腔体之顶侧与底侧，该复数个双开口金属管体之数量为两个，该复数个双开口金属管体组成该环形腔体之两侧边，该复数个双开口金属管体之两端经由该复数个阻隔结构连接该复数个金属腔体。
6.如权利要求4所述的中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，其特征在于，其中该复数个金属腔体之数量为四个，该复数个金属腔体分别组成该环形腔体之四个角落，该复数个双开口金属管体之数量为四个，该复数个双开口金属管体分别组成该环形腔体之四个侧边，该复数个双开口金属管体之两端经由该复数个阻隔结构连接相邻之两个该复数个金属腔体。
7.如权利要求3所述的中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，其特征在于，其中该复数个中空腔体为复数个金属腔体、该复数个中空圆柱管为复数个双开口金属管体与复数个单开口金属管体，该复数个双开口金属管体与该复数个单开口金属管体经由该复数个阻隔结构连接该复数个金属腔体。
8.如权利要求7所述的中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，其特征在于，其中该复数个金属腔体之数量为两个，该复数个金属腔体分别组成该环形腔体之顶侧与底侧，该复数个双开口金属管体之数量为两个，该复数个双开口金属管体组成该环形腔体之两侧边，该复数个单开口金属管体之数量为两个，该复数个单开口金属管体分别连接于该复数个金属腔体上。
9.如权利要求3所述的中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，其特征在于，其中该复数个中空腔体为复数个金属腔体、该复数个中空圆柱管为复数个单开口金属管体，该复数个单开口金属管体经由该复数个阻隔结构连接该复数个金属腔体。
10.如权利要求9所述的中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，其特征在于，其中该复数个金属腔体之数量为两个，该复数个金属腔体分别组成该环形腔体之顶侧与底侧，该复数个单开口金属管体之数量为两个，该复数个单开口金属管体分别连接于该复数个金属腔体上。
11.如权利要求3所述的中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，其特征在于，其中该第二线圈借由感应该交变磁场而产生该第二电压，且该第二电压并联式施加于该复数个中空圆柱管上，该第二电压之数值为该第一电压之数值乘以M/N，其中M为该第二线圈之圈数，N为该第一线圈之圈数。
12.如权利要求1所述的中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，其特征在于，其中缠绕有该第一线圈之该第一铁氧体磁芯作为一变压器结构之一一次侧，该反应腔之该环形通道作为该变压器结构之一二次侧，借以利用该变压器耦合电浆机制于该环形通道中产生该感应电场。
13.如权利要求1所述的中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，其特征在于，还包括至少一控制器电性连接于该第二线圈与该中空圆柱管之间，用以控制供应该第二电压至该反应腔之该中空圆柱管上。
14.如权利要求1所述的中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，其特征在于，其中该反应腔更具有一气体入口及一出口分别位于该反应腔之该环形通道之两端。
15.如权利要求3所述的中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，其特征在于，其中各该复数个阻隔结构包含一陶瓷环。
16.如权利要求15所述的中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，其特征在于，其中各该复数个阻隔结构还包括一密封环。
17.如权利要求1所述的中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，其特征在于，其中该反应腔为阳极化处理铝制反应腔。
18.如权利要求1所述的中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，其特征在于，其中该交流电源之输出频率之范围从100kHz至500kHz。
19.如权利要求1所述的中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，其特征在于，其中该交流电源为定功率或定电流，该交流电源之输出电压之范围为从300伏特至500伏特。
20.如权利要求1所述的中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，其特征在于，其中该工作气体之气压介于0.5Torr至10Torr。
21.如权利要求1所述的中空阴极放电辅助之变压器耦合电浆源，其特征在于，其中该工作气体之气体流量为从10-2slm至约102slm。
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2023
- 2023-05-10 CN CN202321102256.4U patent/CN219759522U/zh active Active
- 2023-05-10 TW TW112204568U patent/TWM650971U/zh unknown
- 2023-05-10 CN CN202310517615.0A patent/CN118629853A/zh active Pending
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TWM650971U (zh) | 2024-02-01 |
| CN118629853A (zh) | 2024-09-10 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |