RU2503079C1 - Генератор плазмы (варианты) - Google Patents
Генератор плазмы (варианты) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2503079C1 RU2503079C1 RU2012116222/07A RU2012116222A RU2503079C1 RU 2503079 C1 RU2503079 C1 RU 2503079C1 RU 2012116222/07 A RU2012116222/07 A RU 2012116222/07A RU 2012116222 A RU2012116222 A RU 2012116222A RU 2503079 C1 RU2503079 C1 RU 2503079C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- dielectric
- coil
- screen
- plasma
- plasma generator
- Prior art date
Links
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 35
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 20
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 6
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 abstract description 11
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 8
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 8
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 8
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 8
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
- H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
- H01J37/321—Radio frequency generated discharge the radio frequency energy being inductively coupled to the plasma
- H01J37/3211—Antennas, e.g. particular shapes of coils
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/02—Details
- H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
- H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
- H01J37/321—Radio frequency generated discharge the radio frequency energy being inductively coupled to the plasma
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
- H01J2237/002—Cooling arrangements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
- H01J2237/03—Mounting, supporting, spacing or insulating electrodes
- H01J2237/036—Spacing
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Abstract
Изобретение относится к устройствам, предназначенным для обработки материалов в среде низкотемпературной плазмы газового разряда, а именно к индукционным генераторам плазмы, размещаемым внутри технологического объема (рабочей камеры). Технический результат - повышение КПД устройства; повышение надежности работы устройства, повышение чистоты плазменной среды и увеличение плотности генерируемой плазмы; увеличение срока службы устройства; снижение уровня помех; уменьшение габаритов устройства. В генераторе плазмы по первому варианту выполнения, содержащем спиральную катушку, помещенную внутрь проводящего экрана, внутренняя поверхность которого имеет близкую к цилиндрической форму, причем пространство между витками катушки и между катушкой и экраном заполнено диэлектриком, катушка выполнена плоской, расстояние от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрика меньше удвоенной толщины катушки, а расстояние от плоскости катушки до основания внутренней поверхности экрана больше удвоенного расстояния от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрика. В генераторе плазмы по второму варианту выполнения катушка выполнена плоской, экран выполнен в виде кольца, ось которого перпендикулярна плоскости катушки, край кольца, обращенный к объему, в котором требуется создание плазмы закрыт диэлектриком.
В генераторе плазмы по третьему варианту выполнения экран электрически соединен с одним из концов катушки, а диэлектрическая проницаемость диэлектрика находится в пределах от 2,5 до 50. 3 н. и 30 з.п. ф-лы, 7 ил.
Description
Изобретение относится к устройствам, предназначенным для обработки материалов в среде низкотемпературной плазмы газового разряда, а именно к индукционным генераторам плазмы, размещаемым внутри технологического объема (рабочей камеры).
Известно устройство для плазменной обработки, содержащее источник индуктивно связанной плазмы, размещенный внутри рабочей камеры, состоящий из антенны, помещенной в диэлектрический заполнитель, причем указанная антенна и заполнитель расположены в герметичном диэлектрическом кожухе (Патент США №5580385, МПК С23С 16/00, С23С 16/50, опубл. 03.12.1996 г.)
Недостатком известного устройства является нестабильность работы и низкий КПД, вызванные тем, что переменное магнитное поле проникает сквозь кожух сбоку от генератора плазмы или позади него, что может приводить к возникновению нестабильного паразитного разряда.
Известен высокочастотный газоразрядный источник ионов высокой плотности с низкоимпедансной антенной, содержащий размещенную в рабочей камере катушку, выполненную в виде проводящей спирали, причем пространство между витками спирали заполнено диэлектриком, а сама спираль отделена от рабочей камеры слоем диэлектрика, толщина d диэлектрика, отделяющего катушку от рабочей камеры, не превышает величину S, а расстояние l от катушки до ближайшей проводящей поверхности рабочей камеры превышает утроенную величину В, где где S - максимальная из величин (Λ, R); R - максимальный поперечный линейный размер проводника, из которого выполнена спираль антенны; В=Λ+d, Λ=с/ω Ре - глубина проникновения высокочастотного электрического поля в плазму в рабочем режиме; с - скорость света; ωРе=(4πnee2/m)1/2 - электронная Ленгмюровская частота плазмы (с-1); ne - плотность электронов в плазме (см-3); е, m - заряд (4,8×10-10 СГСЭq) и масса электрона (г). (Патент РФ №2171555, H01J 37/32; Н05Н 1/46, опубл. 27.07.2001 г.)
Известное техническое решение обладает следующими недостатками:
1. - ограничена область применения устройства в связи с ограничением на минимальный возможный размер рабочей камеры. Например, если рабочая камера представляет собой цилиндр, а катушка расположена на его оси, требуемая концентрация создаваемой плазмы - 1012 см-3, минимальный диаметр рабочей камеры будет на 180 мм больше диаметра катушки.
2. - низкая эффективность использования энергии высокочастотного тока для создания плазмы в той части рабочей камеры, где это требуется. Это связано с тем, что высокочастотные поля проникают в объем рабочей камеры не только там, где это требуется для создания плазмы, используемой в технологическом процессе, но и там, где они вызывают паразитный разряд, затрудняющий поддержание устойчивого режима работы устройства и вызывающий нежелательное воздействие плазмы на те поверхности, где оно не требуется.
3. - низкая надежность, поскольку высокочастотные поля заполняют больший объем, чем это требуется, известное устройство имеет значительную индуктивность рассеяния, что приводит к излишнему повышению напряжения на катушке, которое, в свою очередь, может приводить к травлению диэлектрика.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является источник плазмы, состоящий из спиральной катушки, помещенной внутрь проводящего цилиндрического экрана, открытого с одного из оснований, причем пространство между витками катушки и между катушкой и экраном заполнено диэлектриком. (Патент США №5231334, МПК H01J 37/08; H01J 37/32; Н05Н 1/46, опубл. 27.07.2012 г.)
Недостатком известного устройства является низкий КПД и низкая надежность работы из-за того, что экран расположен ближе к катушке, чем плазма, что приводит к увеличению тока, текущего через катушку и сильному возрастанию омических потерь в экране. Также из-за сильной индуктивной связи между катушкой и экраном, при включении устройства требуется повышенная мощность, чтобы обеспечить величину высокочастотного напряжения на катушке, достаточную для пробоя газовой среды в рабочей камере.
Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в:
- повышении КПД устройства;
- снижении уровня помех;
- увеличении срока службы устройства;
- повышении надежности работы устройства;.
- увеличении плотности генерируемой плазмы;
- повышении чистоты плазменной среды;
- уменьшении габаритов устройства.
Поставленная техническая задача решается тем, что в генераторе плазмы по первому варианту выполнения, содержащем спиральную катушку, помещенную внутрь проводящего экрана, внутренняя поверхность которого имеет близкую к цилиндрической форму, причем пространство между витками катушки и между катушкой и экраном заполнено диэлектриком, согласно заявляемому изобретению, катушка выполнена плоской, расстояние от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрика меньше удвоенной толщины катушки, а расстояние от плоскости катушки до основания внутренней поверхности экрана больше удвоенного расстояния от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрика.
Кроме того, генератор плазмы по первому варианту выполнения характеризуется следующими дополнительными существенными признаками:
- для подачи высокочастотного тока в катушку генератор плазмы снабжен коаксиальным вводом, внутренний проводник которого соединен с одним концом катушки, а внешний проводник соединен с другим концом катушки;
- коаксиальный ввод выполнен с возможностью подачи через него охлаждающей жидкости либо газа к катушке;
- проводники катушки выполнены полыми с возможностью подачи сквозь них охлаждающей жидкости либо газа.
Поставленная техническая задача решается также тем, что в генераторе плазмы по второму варианту выполнения, содержащем спиральную катушку, помещенную внутрь проводящего экрана, внутренняя поверхность которого имеет близкую к цилиндрической форму, причем пространство между витками катушки и между катушкой и экраном заполнено диэлектриком, согласно заявляемому изобретению, катушка выполнена плоской, экран выполнен в виде кольца, ось которого перпендикулярна плоскости катушки, край кольца, обращенный к объему, в котором требуется создание плазмы закрыт диэлектриком.
Поставленная техническая задача решается тем, что в генераторе плазмы по третьему варианту выполнения, содержащем спиральную катушку, помещенную внутрь проводящего экрана, внутренняя поверхность которого имеет близкую к цилиндрической форму, причем пространство между витками катушки и между катушкой и экраном заполнено диэлектриком, согласно предложенному изобретению, экран электрически соединен с одним из концов катушки, а диэлектрическая проницаемость диэлектрика находится в пределах от 2,5 до 50.
Кроме того, генератор плазмы по всем трем вариантам выполнения характеризуется следующими дополнительными существенными признаками:
- диэлектрик, отделяющий катушку от рабочей поверхности устройства, выполнен из материала, устойчивого к воздействию плазмы;
- внешняя поверхность диэлектрика закрыта, по меньшей мере, одним диэлектрическим экраном, выполненным из материала, устойчивого к воздействию плазмы, причем расстояние от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрического экрана меньше удвоенной толщины катушки;
- между экраном и внешней поверхностью диэлектрика имеется зазор;
- внешняя поверхность диэлектрика закрыта, по меньшей мере, двумя диэлектрическими экранами, по меньшей мере, один из которых выполнен из материала, устойчивого к воздействию плазмы, причем между экранами имеется зазор;
- диэлектрическое заполнение состоит из диэлектрического цилиндра, отделяющего катушку от основания внутренней поверхности экрана, диэлектрических вставок, заполняющих пространство между витками катушки и диэлектрической пластины, отделяющей катушку от рабочей поверхности устройства.
- диэлектрическая пластина выполнена из материала, устойчивого к воздействию плазменной среды;
- между диэлектрической пластиной и катушкой, а также между диэлектрической пластиной и диэлектрическими вставками имеется зазор;
- внешняя поверхность диэлектрика закрыта, по меньшей мере, одним диэлектрическим экраном, выполненным из материала, устойчивого к воздействию плазмы, причем расстояние от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрического экрана меньше удвоенной толщины катушки;
- между экраном и внешней поверхностью диэлектрика имеется зазор.
Техническим результатом, достижение которого обеспечивается реализацией заявляемой совокупностью существенных признаков, является:
1. Локализация высокочастотных электромагнитных полей в той части технологического объема (рабочей камеры), где требуется создание плазмы и уменьшение в других частях устройства, что позволяет:
- повысить КПД за счет предотвращения возникновения паразитного разряда вокруг устройства,
- увеличить срок службы за счет уменьшения воздействия плазмы на составные части устройства,
- повысить чистоту плазменной среды за счет снижения воздействия плазмы на стенки технологической камеры и детали внутрикамерной оснастки и уменьшения загрязнение технологической среды продуктами плазмохимических реакций и ионного распыления материалов, из которых изготовлено устройство.
Локализация высокочастотных полей обеспечивается применением проводящего экрана, который не пропускает высокочастотное магнитное поле. Для уменьшения потерь, вызванных протеканием токов Фуко в экране, экран следует выполнять из материала, обладающего низким удельным сопротивлением, например из меди или алюминиевого сплава.
2. Увеличение индуктивности между катушкой и плазмой, а также увеличение емкости между внешней поверхностью диэлектрика и витками, что облегчает пробой газовой среды рабочего объема и надежность поджига разряда, за счет чего обеспечивается повышение надежности работы устройства в широком диапазоне параметров технологической среды.
Увеличение индуктивности между плазмой и катушкой, а также уменьшение емкости между внешней поверхностью диэлектрика и витками обеспечиваются уменьшением расстояния от витков до рабочего объема. Это обеспечивается исполнением катушки плоской и размещением ее не далее удвоенной толщины от поверхности диэлектрика.
3. Уменьшение индуктивности между катушкой и проводящим экраном, а также цепей питания генератора плазмы, что обеспечивает снижение уровня помех и повышение КПД устройства, за счет снижения тепловой мощности, рассеиваемой в деталях конструкции, протекающими в них токами, в том числе наведенными за счет электромагнитной индукции.
Напряженность высокочастотных полей в плазме, обеспечивающих передачу энергии от катушки к плазме определяется величиной передаваемой мощности. Токи Фуко, возбуждаемые в проводящем экране создают магнитное поле, ослабляющее поле катушки. Для компенсации этого ослабления необходимо повышать силу высокочастотного тока, подаваемого в катушку, увеличивая потери в ней и цепях питания и уровень помех. В связи с этим экран должен располагаться дальше от плазмы, чем катушка, чтобы токи Фуко были меньше, а создаваемое ими магнитное поле было меньше поля катушки в занятом плазмой регионе. Путем численного моделирования и экспериментальной проверки получено заявленное соотношение расстояний между толщиной катушки, расстоянием от нее до поверхности диэлектрика и до проводящего экрана.
Также, применение для диэлектрического заполнителя диэлектрика с диэлектрической проницаемостью, находящейся в пределах от 2,5 до 50 позволяет уменьшить эффективную индуктивность катушки за счет частичной компенсацией ее увеличенной емкостью между катушкой и экраном.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 представлено сечение предлагаемой конструкции устройства;
на фиг.2 представлено сечение конструкции с коаксиальным вводом, внутренний проводник которого соединен с одним концом катушки, а внешний проводник соединен с другим концом катушки;
на фиг.3 и 5 представлены сечения, где показано, каким образом внешняя поверхность диэлектрика закрыта диэлектрическим экраном, выполненным из материала, устойчивого к воздействию плазмы;
на фиг.4 представлено сечение с диэлектриком, отделяющим катушку от рабочей поверхности устройства, выполненным из материала, устойчивого к воздействию плазмы;
на фиг.6 представлено сечение, где показано, каким образом внешняя поверхность диэлектрика закрыта диэлектрическим экраном, выполненным из материала, устойчивого к воздействию плазмы, причем расстояние от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрического экрана меньше удвоенной толщины катушки;
на фиг.7 представлено сечение, где показано, каким образом диэлектрическое заполнение состоит из диэлектрического цилиндра, отделяющего катушку от основания внутренней поверхности экрана, диэлектрических вставок, заполняющих пространство между витками катушки и диэлектричекой пластины, отделяющей катушку от рабочей поверхности устройства.
Фигуры содержат следующие позиции:
1 - плоская спиральная катушка;
2 - проводящий экран;
3 - диэлектрический заполнитель;
3а - диэлектрический цилиндр (фиг.7);
3б - диэлектрические вставки (фиг.7);
4 - внешний проводник коаксиального ввода;
5 - внутренний проводник коаксиального ввода;
6 - диэлектрическая пластина, устойчивая к воздействию плазмы;
7 - диэлектрический экран;
А - расстояние от плоскости катушки до поверхности диэлектрика;
В - толщина катушки;
С - расстояние от плоскости катушки до основания внутренней поверхности экрана.
Употребляемые ниже термины имеют следующее толкование:
Высокая частота - частота в диапазоне 0,5..100 МГц.
Плазма высокой плотности - плазма с концентрацией электронов не менее 1011 см-3.
Катушка - проводник в форме одно- или многозаходной спирали. Многозаходная спираль представляет собой по меньшей мере два спиральных проводника одинаковой формы, расположенные с поворотом относительно друг друга вокруг общей оси. В рамках настоящего описания кольцо рассматривается как однозаходная одновитковая катушка.
Коаксиальный ввод - устройство, представляющее собой полый проводник, во внутренней полости которого размещен меньшей мере один внутренний проводник.
Плоская катушка - катушка, которая может быть вписана в цилиндр, высота которого не более чем вдвое превышает наибольшую из двух величин: шаг витков и наибольший линейный размер поперечного сечения витка.
Плоскость катушки - плоскость, равноудаленная от оснований цилиндра.
Под толщиной плоской катушки понимается высота цилиндра.
Генератор плазмы (фиг.1) включает спиральную катушку 1, помещенную внутрь проводящего экрана 2, внутренняя поверхность которого имеет близкую к цилиндрической форму. Пространство между витками катушки и между катушкой 1 и экраном 2 заполнено диэлектриком 3. В частности, между витками катушки расположены диэлектрические вставки.
Катушка 1 выполнена плоской. Выполнение катушки плоской позволяет одновременно обеспечить максимальную при данных габаритах устройства индуктивную связь между катушкой и плазмой и минимальную индуктивную связь между катушкой и экраном.
Расстояние от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрика выбирается меньше удвоенной толщины катушки, что обеспечивает увеличение индуктивной связи между катушкой и плазмой, а также увеличение емкости между внешней поверхностью диэлектрика и витками, что облегчает пробой газовой среды рабочего объема. Это увеличивает надежность поджига разряда и стабильность работы устройства в широком диапазоне параметров технологической среды.
Расстояние С от плоскости катушки до основания внутренней поверхности экрана выбирается больше удвоенного расстояния А от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрика, что обеспечивает уменьшение индуктивной связи между катушкой и проводящим экраном. Предложенное выполнение увеличивает индуктивность системы, позволяя получить достаточное для поджига разряда напряжение на витках катушки при силе тока в витках катушки близкой к требуемой в рабочем режиме генератора плазмы и малых значения токов Фуко в экране, вызывающих бесполезные затраты мощности высокочастотного генератора на нагрев экрана.
Для подачи высокочастотного тока в катушку 1 генератор плазмы может быть снабжен коаксиальным вводом (фиг.2), внешний проводник 4 которого соединен с одним концом катушки, а внутренний проводник 5 соединен с другим концом катушки;
Коаксиальный ввод может быть выполнен с возможностью подачи через него охлаждающей жидкости либо газа к катушке. Проводники катушки выполнены Польши с возможностью подачи сквозь них охлаждающей жидкости либо газа.
Применение коаксиального ввода позволяет уменьшить индуктивность цепей питания генератора плазмы, уменьшить его напряжение питания, снизить уровень помех.
Диэлектрик, отделяющий катушку от рабочей поверхности устройства, может быть выполнен из материала, устойчивого к воздействию плазмы, например в виде кварцевой или керамической пластины 6 (фиг.3).
Внешняя поверхность диэлектрика может быть закрыта, по меньшей мере, одним диэлектрическим экраном 7, выполненным из материала, устойчивого к воздействию плазмы, причем расстояние от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрического экрана 7 меньше удвоенной толщины катушки 7 (фиг.5).
Внешняя поверхность диэлектрика закрыта, по меньшей мере, двумя диэлектрическими экранами 7, по меньшей мере, один из которых выполнен из материала, устойчивого к воздействию плазмы, причем между экранами имеется зазор (фиг.6).
Диэлектрическое заполнение может состоять из диэлектрического цилиндра 3а, отделяющего катушку 1 от основания внутренней поверхности экрана, диэлектрических вставок 3б, заполняющих пространство между витками катушки и диэлектрической пластины 6, отделяющей катушку от рабочей поверхности устройства (фиг.7).
В генераторе плазмы по второму варианту выполнения катушка 1 выполнена плоской.
Выполнение катушки плоской позволяет одновременно обеспечить максимальную при данных габаритах устройства индуктивную связь между катушкой и плазмой и минимальную индуктивную связь между катушкой и экраном.
Экран 2 выполнен в виде кольца, ось которого перпендикулярна плоскости катушки, край кольца, обращенный к объему, в котором требуется создание плазмы, закрыт диэлектриком. Кольцо выполнено из проводящего материала (например, алюминия или алюминиевого сплава).
Выполнение экрана в виде кольца позволяет ограничить (локализовать) область действия высокочастотных электромагнитных полей, что увеличивает эффективность вклада мощности в плазму в рабочем объеме, предотвращает возникновение паразитного разряда вокруг устройства, который приводит к бесполезным затратам энергии и снижает стабильность и надежность работы. Также применение экрана из хорошо проводящего материала (например, алюминиевого сплава) позволяет избежать наводок в окружающих деталях рабочей камеры и технологической оснастки, которые зачастую выполняются из плохо проводящих высокочастотный ток материалов (например, нержавеющей стали), поэтому наводки приводят к значительным потерям высокочастотной мощности в них.
В генераторе плазмы по третьему варианту выполнения экран электрически соединен с одним из концов катушки. Диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего пространство между витками катушки и между катушкой и экраном, находится в пределах от 2,5 до 50.
Использование диэлектрика с диэлектрической проницаемостью в пределах от 2,5 до 50 увеличивает емкость катушки на экран, соединенный с одним из концов катушки, что позволяет частично компенсировать собственную индуктивность катушки, уменьшить высокочастотный ток, требуемый для питания устройства и снизить потери энергии в цепях питания. Применение диэлектрика с диэлектрической проницаемостью, меньшей 2,5 не приведет к значительному увеличению емкости, а с большей 50, приведет к существенному увеличению межвитковой емкости.
Кроме того, в генераторе плазмы по всем трем вариантам выполнения диэлектрик, отделяющий катушку от рабочей поверхности устройства, выполнен из материала, устойчивого к воздействию плазмы. Внешняя поверхность диэлектрика закрыта, по меньшей мере, одним диэлектрическим экраном, выполненным из материала, устойчивого к воздействию плазмы, причем расстояние от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрического экрана меньше удвоенной толщины катушки. Между экраном и внешней поверхностью диэлектрика имеется зазор. Также внешняя поверхность диэлектрика может быть закрыта, по меньшей мере, двумя диэлектрическими экранами, по меньшей мере, один из которых выполнен из материала, устойчивого к воздействию плазмы, причем между экранами имеется зазор.
Диэлектрик, заполняющий пространство, состоит из диэлектрического цилиндра, отделяющего катушку от основания внутренней поверхности экрана, диэлектрических вставок, заполняющих пространство между витками катушки и диэлектрической пластины, отделяющей катушку от рабочей поверхности устройства. Диэлектрическая пластина выполнена из материала, устойчивого к воздействию плазменной среды. Между диэлектрической пластиной и катушкой, а также между диэлектрической пластиной и диэлектрическими вставками имеется зазор. Внешняя поверхность диэлектрика закрыта, по меньшей мере, одним диэлектрическим экраном, выполненным из материала, устойчивого к воздействию плазмы, причем расстояние от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрического экрана меньше удвоенной толщины катушки. Между экраном и внешней поверхностью диэлектрика имеется зазор.
Генератор плазмы работает следующим образом.
Устройство помещают в рабочую камеру, внешней поверхностью диэлектрика обращают к той части камеры, где требуется создать максимальную плотность плазмы. В камере обеспечивают давление газовой среды в диапазоне 0,01..500 Па. Путем подачи высокочастотного напряжения на катушку, обеспечивают протекание в ней тока. При достижении силой тока величины, достаточной для возникновения и поддержания высокочастотного индуктивного разряда, в рабочей камере образуется плазма. Высокочастотное электромагнитное поле вытесняется из плазмы и прижимается к катушке. Благодаря тому, что расстояние от катушки до внешней поверхности диэлектрика не превышает удвоенной толщины катушки, обеспечивается хорошая электромагнитная связь между катушкой и плазмой.
Предложенное конструктивное выполнение генератора обеспечивает более высокую плотность плазмы и повышенную чистоту плазменной среды, чем в прототипе, достигаемую в тех же условиях в разрядной камере и при той же подаваемой на устройство ВЧ мощности.
Предложенное устройство обладает высоким КПД, надежно в эксплуатации, имеет повышенный срок службы, небольшие габариты.
Claims (33)
1. Генератор плазмы, содержащий спиральную катушку, помещенную внутрь проводящего экрана, внутренняя поверхность которого имеет близкую к цилиндрической форму, причем пространство между витками катушки и между катушкой и экраном заполнено диэлектриком, отличающийся тем, что катушка выполнена плоской, расстояние от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрика меньше удвоенной толщины катушки, а расстояние от плоскости катушки до основания внутренней поверхности экрана больше удвоенного расстояния от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрика.
2. Генератор плазмы по п.1, отличающийся тем, что для подачи высокочастотного тока в катушку генератор плазмы снабжен коаксиальным вводом, внутренний проводник которого соединен с одним концом катушки, а внешний проводник соединен с другим концом катушки.
3. Генератор плазмы по п.2, отличающийся тем, что коаксиальный ввод выполнен с возможностью подачи через него охлаждающей жидкости либо газа к катушке.
4. Генератор плазмы по п.2, отличающийся тем, что проводники катушки выполнены полыми с возможностью подачи сквозь них охлаждающей жидкости либо газа.
5. Генератор плазмы по п.1, отличающийся тем, что диэлектрик, отделяющий катушку от рабочей поверхности устройства, выполнен из материала, устойчивого к воздействию плазмы.
6. Генератор плазмы по п.1, отличающийся тем, что внешняя поверхность диэлектрика закрыта, по меньшей мере, одним диэлектрическим экраном, выполненным из материала, устойчивого к воздействию плазмы, причем расстояние от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрического экрана меньше удвоенной толщины катушки.
7. Генератор плазмы по п.6, отличающийся тем, что между экраном и внешней поверхностью диэлектрика имеется зазор.
8. Генератор плазмы по п.1, отличающийся тем, что внешняя поверхность диэлектрика закрыта, по меньшей мере, двумя диэлектрическими экранами, по меньшей мере, один из которых выполнен из материала, устойчивого к воздействию плазмы, причем между экранами имеется зазор.
9. Генератор плазмы по п.1, отличающийся тем, что диэлектрическое заполнение состоит из диэлектрического цилиндра, отделяющего катушку от основания внутренней поверхности экрана, диэлектрических вставок, заполняющих пространство между витками катушки, и диэлектрической пластины, отделяющей катушку от рабочей поверхности устройства.
10. Генератор плазмы по п.9, отличающийся тем, что диэлектрическая пластина выполнена из материала, устойчивого к воздействию плазменной среды.
11. Генератор плазмы по п.10, отличающийся тем, что между диэлектрической пластиной и катушкой, а также между диэлектрической пластиной и диэлектрическими вставками имеется зазор.
12. Генератор плазмы по любому из пп.9-11, отличающийся тем, что внешняя поверхность диэлектрика закрыта, по меньшей мере, одним диэлектрическим экраном, выполненным из материала, устойчивого к воздействию плазмы, причем расстояние от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрического экрана меньше удвоенной толщины катушки.
13. Генератор плазмы по п.12, отличающийся тем, что между экраном и внешней поверхностью диэлектрика имеется зазор.
14. Генератор плазмы, содержащий спиральную катушку, помещенную внутрь проводящего экрана, внутренняя поверхность которого имеет близкую к цилиндрической форму, причем пространство между витками катушки и между катушкой и экраном заполнено диэлектриком, отличающийся тем, что катушка выполнена плоской, экран выполнен в виде кольца, ось которого перпендикулярна плоскости катушки, край кольца, обращенный к объему, в котором требуется создание плазмы, закрыт диэлектриком.
15. Генератор плазмы по п.14, отличающийся тем, что диэлектрик, отделяющий катушку от рабочей поверхности устройства, выполнен из материала, устойчивого к воздействию плазмы.
16. Генератор плазмы по п.14, отличающийся тем, что внешняя поверхность диэлектрика закрыта, по меньшей мере, одним диэлектрическим экраном, выполненным из материала, устойчивого к воздействию плазмы, причем расстояние от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрического экрана меньше удвоенной толщины катушки.
17. Генератор плазмы по п.16, отличающийся тем, что между экраном и внешней поверхностью диэлектрика имеется зазор.
18. Генератор плазмы по п.14, отличающийся тем, что внешняя поверхность диэлектрика закрыта, по меньшей мере, двумя диэлектрическими экранами, по меньшей мере, один из которых выполнен из материала, устойчивого к воздействию плазмы, причем между экранами имеется зазор.
19. Генератор плазмы по п.14, отличающийся тем, что диэлектрическое заполнение состоит из диэлектрического цилиндра, отделяющего катушку от основания внутренней поверхности экрана, диэлектрических вставок, заполняющих пространство между витками катушки и диэлектрической пластины, отделяющей катушку от рабочей поверхности устройства.
20. Генератор плазмы по п.19, отличающийся тем, что диэлектрическая пластина выполнена из материала, устойчивого к воздействию плазменной среды.
21. Генератор плазмы по п.20, отличающийся тем, что между диэлектрической пластиной и катушкой, а также между диэлектрической пластиной и диэлектрическими вставками имеется зазор.
22. Генератор плазмы по любому из пп.19-21, отличающийся тем, что внешняя поверхность диэлектрика закрыта, по меньшей мере, одним диэлектрическим экраном, выполненным из материала, устойчивого к воздействию плазмы, причем расстояние от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрического экрана меньше удвоенной толщины катушки.
23. Генератор плазмы по п.22, отличающийся тем, что между экраном и внешней поверхностью диэлектрика имеется зазор.
24. Генератор плазмы, содержащий спиральную катушку, помещенную внутрь проводящего экрана, внутренняя поверхность которого имеет близкую к цилиндрической форму, причем пространство между витками катушки и между катушкой и экраном заполнено диэлектриком, отличающийся тем, что экран электрически соединен с одним из концов катушки, а диэлектрическая проницаемость диэлектрика находится в пределах от 2,5 до 50.
25. Генератор плазмы по п.24, отличающийся тем, что диэлектрик, отделяющий катушку от рабочей поверхности устройства, выполнен из материала, устойчивого к воздействию плазмы.
26. Генератор плазмы по п.24, отличающийся тем, что внешняя поверхность диэлектрика закрыта, по меньшей мере, одним диэлектрическим экраном, выполненным из материала, устойчивого к воздействию плазмы, причем расстояние от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрического экрана меньше удвоенной толщины катушки.
27. Генератор плазмы по п.26, отличающийся тем, что между экраном и внешней поверхностью диэлектрика имеется зазор.
28. Генератор плазмы по п.24, отличающийся тем, что внешняя поверхность диэлектрика закрыта, по меньшей мере, двумя диэлектрическими экранами, по меньшей мере, один из которых выполнен из материала, устойчивого к воздействию плазмы, причем между экранами имеется зазор.
29. Генератор плазмы по п.24, отличающийся тем, что диэлектрическое заполнение состоит из диэлектрического цилиндра, отделяющего катушку от основания внутренней поверхности экрана, диэлектрических вставок, заполняющих пространство между витками катушки, и диэлектрической пластины, отделяющей катушку от рабочей поверхности устройства.
30. Генератор плазмы по п.29, отличающийся тем, что диэлектрическая пластина выполнена из материала, устойчивого к воздействию плазменной среды.
31. Генератор плазмы по п.30, отличающийся тем, что между диэлектрической пластиной и катушкой, а также между диэлектрической пластиной и диэлектрическими вставками имеется зазор.
32. Генератор плазмы по любому из пп.29-31, отличающийся тем, что внешняя поверхность диэлектрика закрыта, по меньшей мере, одним диэлектрическим экраном, выполненным из материала, устойчивого к воздействию плазмы, причем расстояние от плоскости катушки до внешней поверхности диэлектрического экрана меньше удвоенной толщины катушки.
33. Генератор плазмы по п.32, отличающийся тем, что между экраном и внешней поверхностью диэлектрика имеется зазор.
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012116222/07A RU2503079C1 (ru) | 2012-04-24 | 2012-04-24 | Генератор плазмы (варианты) |
| JP2015508896A JP6292484B2 (ja) | 2012-04-24 | 2013-03-28 | プラズマ発生器（実施諸形態） |
| PCT/RU2013/000263 WO2013162419A2 (ru) | 2012-04-24 | 2013-03-28 | Генератор плазмы (варианты) |
| US14/396,361 US9704691B2 (en) | 2012-04-24 | 2013-03-28 | Plasma generator |
| EP13780647.7A EP2844043B1 (en) | 2012-04-24 | 2013-03-28 | Plasma generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012116222/07A RU2503079C1 (ru) | 2012-04-24 | 2012-04-24 | Генератор плазмы (варианты) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012116222A RU2012116222A (ru) | 2013-10-27 |
| RU2503079C1 true RU2503079C1 (ru) | 2013-12-27 |
Family
ID=49446370
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012116222/07A RU2503079C1 (ru) | 2012-04-24 | 2012-04-24 | Генератор плазмы (варианты) |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9704691B2 (ru) |
| EP (1) | EP2844043B1 (ru) |
| JP (1) | JP6292484B2 (ru) |
| RU (1) | RU2503079C1 (ru) |
| WO (1) | WO2013162419A2 (ru) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106920732B (zh) * | 2015-12-25 | 2018-10-16 | 中微半导体设备(上海)有限公司 | 一种电极结构及icp刻蚀机 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5231334A (en) * | 1992-04-15 | 1993-07-27 | Texas Instruments Incorporated | Plasma source and method of manufacturing |
| RU2171555C1 (ru) * | 2000-03-06 | 2001-07-27 | Берлин Евгений Владимирович | Высокочастотный газоразрядный источник ионов высокой плотности с низкоимпедансной антенной |
| US6463875B1 (en) * | 1998-06-30 | 2002-10-15 | Lam Research Corporation | Multiple coil antenna for inductively-coupled plasma generation systems |
| US20070235327A1 (en) * | 2006-03-31 | 2007-10-11 | Tokyo Electron Limited | Internal coil with segmented shield and inductively-coupled plasma source and processing system therewith |
| US20100279028A1 (en) * | 2006-12-29 | 2010-11-04 | Sebastien Dine | Methods and arrangements for managing plasma confinement |
Family Cites Families (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2659919B2 (ja) * | 1994-01-13 | 1997-09-30 | インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレイション | プラズマの不均一性を補正するプラズマ装置 |
| US5580385A (en) | 1994-06-30 | 1996-12-03 | Texas Instruments, Incorporated | Structure and method for incorporating an inductively coupled plasma source in a plasma processing chamber |
| JPH10302996A (ja) * | 1997-04-23 | 1998-11-13 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | プラズマ処理方法及び装置 |
| JP3676569B2 (ja) * | 1998-05-18 | 2005-07-27 | 日本碍子株式会社 | プラズマ発生電極装置およびプラズマ発生装置 |
| JP2002151481A (ja) * | 2000-08-30 | 2002-05-24 | Samco International Inc | プラズマ処理装置及びプラズマ処理方法 |
| JP3847184B2 (ja) * | 2002-03-14 | 2006-11-15 | 東京エレクトロン株式会社 | プラズマ処理装置 |
| FR2842388B1 (fr) * | 2002-07-11 | 2004-09-24 | Cit Alcatel | Procede et dispositif pour la gravure de substrat par plasma inductif a tres forte puissance |
| US7255774B2 (en) * | 2002-09-26 | 2007-08-14 | Tokyo Electron Limited | Process apparatus and method for improving plasma production of an inductively coupled plasma |
| KR100964398B1 (ko) | 2003-01-03 | 2010-06-17 | 삼성전자주식회사 | 유도결합형 안테나 및 이를 채용한 플라즈마 처리장치 |
| JP2005311120A (ja) * | 2004-04-22 | 2005-11-04 | Sanyo Electric Co Ltd | 誘導結合型プラズマ発生装置およびそれを用いたドライエッチング装置 |
| US20060081185A1 (en) * | 2004-10-15 | 2006-04-20 | Justin Mauck | Thermal management of dielectric components in a plasma discharge device |
| KR20060073737A (ko) * | 2004-12-24 | 2006-06-29 | 삼성전자주식회사 | 플라즈마 장치 |
| JP4784624B2 (ja) * | 2007-12-20 | 2011-10-05 | 三菱電機株式会社 | 殺菌装置とその装置を用いた空調機、手乾燥機及び加湿器 |
| GB0919274D0 (en) * | 2009-11-03 | 2009-12-16 | Univ The Glasgow | Plasma generation apparatus and use of plasma generation apparatus |
-
2012
- 2012-04-24 RU RU2012116222/07A patent/RU2503079C1/ru active
-
2013
- 2013-03-28 US US14/396,361 patent/US9704691B2/en active Active
- 2013-03-28 EP EP13780647.7A patent/EP2844043B1/en active Active
- 2013-03-28 WO PCT/RU2013/000263 patent/WO2013162419A2/ru active Application Filing
- 2013-03-28 JP JP2015508896A patent/JP6292484B2/ja active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5231334A (en) * | 1992-04-15 | 1993-07-27 | Texas Instruments Incorporated | Plasma source and method of manufacturing |
| US6463875B1 (en) * | 1998-06-30 | 2002-10-15 | Lam Research Corporation | Multiple coil antenna for inductively-coupled plasma generation systems |
| RU2171555C1 (ru) * | 2000-03-06 | 2001-07-27 | Берлин Евгений Владимирович | Высокочастотный газоразрядный источник ионов высокой плотности с низкоимпедансной антенной |
| US20070235327A1 (en) * | 2006-03-31 | 2007-10-11 | Tokyo Electron Limited | Internal coil with segmented shield and inductively-coupled plasma source and processing system therewith |
| US20100279028A1 (en) * | 2006-12-29 | 2010-11-04 | Sebastien Dine | Methods and arrangements for managing plasma confinement |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US9704691B2 (en) | 2017-07-11 |
| US20150279620A1 (en) | 2015-10-01 |
| WO2013162419A3 (ru) | 2014-01-03 |
| JP6292484B2 (ja) | 2018-03-14 |
| RU2012116222A (ru) | 2013-10-27 |
| EP2844043A4 (en) | 2015-11-25 |
| WO2013162419A2 (ru) | 2013-10-31 |
| JP2015521342A (ja) | 2015-07-27 |
| EP2844043B1 (en) | 2020-02-26 |
| EP2844043A2 (en) | 2015-03-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4758046B2 (ja) | 均一なプロセス速度を生成するためのプラズマ処理装置及びアンテナ構成 | |
| EP0565960B1 (en) | Plasma source and method of manufacturing | |
| EP2622625A2 (en) | Compact rf antenna for an inductively coupled plasma ion source | |
| JP5155235B2 (ja) | プラズマ処理装置およびプラズマ生成装置 | |
| EP2887378B1 (en) | Magnetron and high-frequency heating apparatus having the same | |
| US8860323B2 (en) | Plasma lamp with lumped components | |
| TW201923812A (zh) | 用於離子束加速的射頻共振器 | |
| RU2503079C1 (ru) | Генератор плазмы (варианты) | |
| Piskin et al. | E–H transitions in Ar/O2 and Ar/Cl2 inductively coupled plasmas: Antenna geometry and operating conditions | |
| RU119936U1 (ru) | Генератор плазмы (варианты) | |
| Khomenko et al. | Capacitively coupled radio-frequency discharge in alpha-mode as a variable capacitor | |
| Shafir et al. | Characterization of inductively coupled plasma generated by a quadruple antenna | |
| JP2019514168A (ja) | マイクロ波周波数においてトロイダルプラズマ放電を加熱する電磁場を成形するアダプタ | |
| KR102013333B1 (ko) | 플라즈마 생성 장치 | |
| KR20110006070U (ko) | 자화된 유도결합형 플라즈마 처리장치 | |
| Shimabukuro et al. | Microwave excitation of a low-energy atomic hydrogen | |
| KR101585890B1 (ko) | 수직 듀얼 챔버로 구성된 대면적 플라즈마 반응기 | |
| Zhao et al. | Long-Lifetime Insulation Supporting Board in Tesla-type Generators | |
| JP2013175480A (ja) | プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 | |
| KR102587829B1 (ko) | 마이크로파 발진기 및 이를 기반으로 하는 매트릭스형 마이크로파 발진기 | |
| Prasad et al. | Magnetron experiments on the short-pulse “SINUS-6” accelerator | |
| Reijonen et al. | Improvement of the lifetime of radio frequency antenna for plasma generation | |
| Sayapin et al. | Recent Advances in Relativistic Magnetron | |
| Porteanu et al. | Microwave Plasma Simulation Applied to a Double ICP Jet Reactor | |
| Welton et al. | Advanced RF-driven H-ion sources at the SNS |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HE9A | Changing address for correspondence with an applicant | ||
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20150821 |