TW201927081A - 用於表面改性及加工的大氣壓線性rf電漿源 - Google Patents

Abstract

一種大氣壓線性RF電漿源，其具有殼體，該殼體包圍延伸槽形式的腔室，該延伸槽具有寬度W、長度L和厚度T，其中W≥20T，該殼體具有一頂部開口，該頂部開口用於接收在長度L方向上的工作氣體的流，且該殼體具有一底部開口，該底部開口用於輸送一電漿流，其中該底部開口向大氣壓開放。然後，殼體的壁包括介電材料。兩個相互對置的扁平線圈定位於殼體的相對側上，且能夠由以相反的相位關係的RF電源驅動。或者，細長螺線管線圈可圍繞殼體。

Description

用於表面改性及加工的大氣壓線性RF電漿源

本申請案依專利法主張於2017年11月30日提出申請的美國臨時專利申請案第62/592,799號之優先權權益，本申請案之參考整體上結合以上美國專利申請案之揭露。

本揭示案一般係關於適用於基板或晶圓表面改性的大氣壓非熱（non-thermal）電漿設備或熱電漿設備，且具體上係關於線性、大氣壓、非熱或熱電漿源或「電漿刀（plasma knife）」。

藉由在大氣壓下的電暈（corona）和/或電漿放電對基板表面改性已經在工業中廣泛使用多年。在此技術中，低頻高壓源用於向與接地電極相對的電極供電。在兩個電極之間形成電暈放電，空氣通過該等兩個電極，使得當空氣分子與該等電極之間的電暈流（corona stream）中的流動的電子碰撞時，空氣分子被電離。

然後帶電粒子或離子被吸引到帶相反電荷的電極（其通常定位於待加工基板下方）。帶電粒子或離子通常在撞擊基板表面之前加速到高速。在聚合物基板（如塑膠膜）的情況下，帶電粒子的撞擊和/或其他相互作用破壞塑膠膜中分子的最頂層中的鍵結。這導致膜表面的表面能增加，而其具有高度可濕性，使得油墨可印刷在塑膠上並黏合到塑膠。在工業中，此結果和/或過程稱為表面活化。

通常，未經加工的塑膠具有低表面能，導致油墨成珠（bead）且沒有黏合於表面。可濕性的測量通常藉由測量在表面上印刷的材料的液滴的接觸角來決定，其中較低的接觸角表示較高的表面能。

在玻璃基板的情況下，暴露於基於電暈的電漿已用於表面清洗。撞擊表面的帶電粒子會排出灰塵和其他容器，留下清洗後的表面。

當表面上的容器對表面具有其固有的電吸引力時，會提高對於清洗玻璃表面的困難度。即使在帶電粒子的撞擊之後，工業洗滌方法仍可能無法去除這些污染物。在這種情況下，經常使用在減壓下在較高頻率下激發的使用多種離子物質的電漿製程。通常是ISM頻率（由FCC所分配的工業、科學和醫療頻帶分配中的頻率），如13.56MHz或27MHz。電漿通常在減壓下操作，如10^-3 Torr。電漿氣體通常是Ar與O₂ 和/或N₂ 混合。在基板上的有機污染的情況下，用離子轟擊使得有機鍵斷裂，然後O₂ 離子物質容易與碳鍵結並實現從基板上去除污染物。

這種RF電漿製程已經在玻璃清洗方面非常成功。然而，在真空條件下加工玻璃基板對低壓的要求為該製程增加了顯著的資金和維護成本。另外，因為反應器在裝載一批基板之後，需要用於抽真空的時間、用於處理的時間、將反應器恢復到大氣壓力以便卸載的時間，所以反應器需要相對長的生產週期。為了利用RF電漿清洗玻璃表面但沒有低壓要求的能力，工業技術開發專注於大氣壓RF電漿源。

大氣電漿源包括個別的電漿噴流（plasma jet）和陣列的電漿噴流。在待清洗的基板上對個別噴流作光柵掃描。這種方法有兩個缺點：（1）覆蓋重疊可能導致不均勻清洗或「紋（streaking）」的活化；（2）光柵掃描需要幾次來回通過，為製程增加了大量的週期時間。陣列的電漿噴流具有不均勻電漿密度的問題-噴流之間的電漿密度較薄。這也導致不均勻的表面加工，且可能需要在X和Y方向上掃描以產生對基板的均勻加工。

本揭示案的一個實施例的一個態樣係關於一種大氣壓線性RF電漿源，其包括殼體，該殼體包圍延伸槽形式的腔室，該延伸槽具有寬度W 、長度L 和厚度T ，其中W ≥20T 。該殼體具有兩個相對的主要壁，該主要壁在該槽的厚度方向上包圍該槽，並且兩個相對的小壁在該槽的寬度方向上包圍該槽。該殼體具有與該槽連通的頂部開口，該頂部開口用於接收氣體的流，且該殼體具有與該槽連通的底部開口，該底部開口用於輸送電漿流，該底部開口向大氣壓開放。理想地，W ≥30T 、W ≥40T ，或甚至W ≥100T ，或甚至更大，因為對由本揭示案的源產生的線性電漿的寬度沒有物理限制。

源的殼體進一步具有內部表面和外部表面，該內部表面包含面向該等主要壁和該等次要壁的各者的該槽之表面，該外部表面包含背離（facing away）該等主要壁和該等次要壁的各者的該槽之表面。殼體的兩個主要壁包括介電材料。理想地，次要壁也可以包括介電材料。

在這態樣中，源進一步包括兩對或更多對扁平線圈（pancake coil），每對扁平線圈包含第一扁平線圈和第二扁平線圈，該第一扁平線圈和該第二扁平線圈以相對的關係定位在該殼體的相對側上且面向其該等主要壁的該等外表面定向。

在此實施例的另一個態樣中，源亦可以包括RF電源，該RF電源連接到每個相對的第一扁平線圈和第二扁平線圈，且該RF電源經建構和佈置成能夠以正好（directly）異相的（相反的相位）關係驅動每個相對的第一扁平線圈和第二扁平線圈。

本揭示案的源的另一實施例的態樣係關於一種大氣壓線性RF電漿源，其包括殼體，該殼體包圍延伸槽形式的腔室，該延伸槽具有寬度W 、長度L 和厚度T ，其中W ≥20T 。該殼體具有兩個相對的主要壁及兩個相對的次要壁，該等兩個主要壁在該槽的該厚度的方向上包圍該槽，該等兩個次要壁在該槽的該寬度的方向上包圍該槽。該殼體具有與該槽連通的頂部開口，該頂部開口用於接收氣體的流，且該殼體具有與該槽連通的底部開口，該底部開口用於輸送電漿流，其中該底部開口向大氣壓開放。 理想地，W ≥30T 、W ≥40T ，或甚至W ≥100T ，或甚至更大，因為對由本揭示案的源產生的線性電漿的寬度沒有物理限制。

該源的該殼體具有內部表面和外部表面，該內部表面包含面向該等主要壁和該等次要壁的各者的該槽之表面，該外部表面包含背離該等主要壁和該等次要壁的各者的該槽之表面。殼體的兩個主要壁和兩個次要壁包括介電材料。

在這態樣中，源進一步包括圍繞殼體的外表面的細長螺線管線圈。

在此實施例的另一態樣中，源亦可以包括RF電源，該RF電源連接到細長螺線管線圈。

在任何上述實施例的另一額外態樣中，該源亦可以包括氣刀，該氣刀可連接到工作氣體供應，該氣刀具有氣刀輸出槽，該氣刀輸出槽經定位以透過該殼體的該頂部開口將工作氣體流輸送到該殼體中。

在任何上述實施例的另一額外態樣中，第一和第二主要壁可包括石英。理想地，次要壁也可包括石英。

在任何上述實施例的另一額外態樣中，選擇T 以便允許源能夠從殼體的下部開口提供一層流的電漿（laminar flow）。

在任何上述實施例的另一額外態樣中，選擇T 以便允許該源能夠提供一層流的電漿，該層流的電漿從該殼體的該下部開口延伸1至3cm範圍內的一距離。

在任何上述實施例的另一額外態樣中，選擇T 以便允許該源能夠提供一層流的電漿，該層流的電漿從該殼體的該下部開口延伸2至3cm範圍內的一距離。

額外的特徵與優點闡述於之後的實施方式中，且其中部分將從其描述中向本發明所屬領域中具有通常知識者輕易彰顯或藉由施行如說明書、申請專利範圍與附圖所述的實施例以識明。可以理解前述的概括說明與之後的實施方式僅為示範，並意欲提供概述與架構以瞭解申請專利範圍的特性與特徵。

現在詳細參考本揭示案的各種實施例，其實例示於附圖中。在可能的情況下，相同或相似的數字編號與標記使用於全部圖式中以用來代表相同或相似的元件。附圖不一定按比例繪製，且本發明所屬領域中具有通常知識者將認識到圖式已被簡化以說明本揭示案的關鍵態樣。

如下所述之專利申請範圍已併入實施方式中並構成本實施方式的一部分。

方向的參考（如上、下、前、後、左及右）和/或方向特徵（如頂部、底部、前部、後部、左側和右側）僅在圖式中用於相對參考，或者用於所描述或申請保護的特徵或設備內的相對參考，且不應被理解為限制所描述特徵的方向，而是僅為這些特徵在任意參考座標系內的相對定位。

圖1表示根據本發明實施例的線性RF電漿源的側視圖，其中501表示雙扁平電感器，502表示石英板組件，503表示陶瓷氣刀與石英組裝接合件（union）或接頭（joint）。504是陶瓷氣刀夾具，其藉由兩對螺栓506和507將氣刀505和氣刀石英組裝接合件503固持在一起。電漿工作氣體在入口配件（fitting）508、509中饋送，其中來自兩個方向的氣刀505內的氣體在入口配件508、509中平衡壓力，而提供通過排氣噴嘴的均勻的氣流幕。510是離開石英板組件所得到的線性電漿捲流（plume）。

圖2表示圖1中所示的線性RF電漿源的等距分解圖。601是組件中的電漿氣體流前部石英板，該組件具有後部石英板604和石英支撐間隔件602和603。605是陶瓷氣刀石英組裝接合件，606是可商購取得的氣刀，及607是陶瓷氣刀夾具，608是雙扁平RF電感器。

參考圖1和2，根據本揭示案的電漿源的實施例藉由均勻線氣體流的源（如可商購取得稱為「氣刀（air knife）」的裝置，其在圖1中標示為505，在圖2中標示為606）來發展線性RF電漿。氣刀在其一般用途中通常由壓縮的空氣產生氣流，在兩端以相等的壓力饋送，並作為氣幕離開氣刀。當氣體離開氣刀時，氣體變成紊流，其產生不均勻的電漿，所以離開氣刀的氣幕通過由兩個介電板（理想上是圖2中的石英板（601、604）和圖1中的502）產生的槽，其由間隔件（理想上是石英棒間隔件（在圖2中所示為602和603））分開。

在示例性實施例中，石英板各為寬度175mm×長度102mm×厚度2mm，以及石英棒間隔件為102mm×4mm×4mm，因此形成包圍延伸槽的殼體，延伸槽的寬度W 為167mm，長度L 為102mm，厚度T 為4mm。通過實驗發現102mm高度對於使用商用氣刀的層流是最佳的-當以30-45slpm的速率輸送用於熱成像的CO₂ 時。然而，因為商用氣刀可以有多種長度，因此石英板的長度可以延長以加工和活化更寬區域的基板，所以延伸槽的寬度W 不限於167mm。通過實驗發現4mm槽厚度T 具有正確的厚度T ，以防止在示例性實施例的情況下氣幕變成紊流，如此產生具有均勻密度的層流，均勻密度的層流在槽的出口下方的2-3cm距離。在至少1-3cm的範圍內的流是理想的，且2-3更為理想的。此厚度T 可以在4mm以上和4mm以下調整，以適應應用和工作氣體可能需要的更大面積的基板之尺寸和表面暴露的可擴展性（scalability）。值得注意的是，延伸槽和實驗證明的線性電漿或「電漿刀」的寬度與厚度W /T 的比率為167/4或大於40:1。理想上，提供延伸槽的尺寸，使得W ≥20T 、W ≥30T 、W ≥40T 、W ≥50T ，或甚至W ≥100T 或更多，因為對於本發明裝置和所得到的「電漿刀」的延伸槽之寬度的潛在增加沒有基本限制。

代替如典型氣刀中的壓縮空氣，使用諸如氬氣的工作氣體來產生電漿。可使用諸如氬、氦、氮或氧的工作氣體和/或其各種組合。石英板602、603用作介電質隔板，保持電漿遠離RF感應線圈，且由於其空間結構，將電漿限制在特定的形狀和體積。

電漿可從電場主導的E模式（E-mode）藉由增加施加於電感器的RF功率之方式而轉變為H模式或磁場主導，並且因此電漿將從非熱電漿轉變為熱電漿。實驗顯示，＞600 W的功率會使電漿溫度升高到極有可能發生石英板熱衝擊的點（point）。因此，可能需要額外的石英板水冷卻以防止發生熱衝擊。電阻率保持在1018歐姆範圍內的去離子冷卻水要求用於防止RF功率耦合到冷卻水中以及不必要地加熱它（其導致電漿的功率消耗）。

圖3表示基本基礎設施系統的實施例，如可用於操作本揭示案的線性RF電漿源的各種實施例，以及如用於操作示例性實施例。在圖3中，401是石英板組件，402是雙扁平RF電感器，403是所得到的線性RF電漿，404是待加工的基板，405是商用氣刀，406是左手邊的電漿工作入口，407是右手邊的電漿工作氣體入口，408是電漿工作氣體質量流量控制器，409是電漿工作氣體輸送源，410是自動調諧RF阻抗匹配網路，411是RF工作氣體（具有可以在1 MHz到100 MHz的範圍內的頻率），412是用於冷卻RF產生器的水冷卻劑的冷卻器、匹配網路、RF線圈和線性RF電漿源，413是冷卻劑出口，414是冷卻劑入口。在正在加工的基板下方，可使用可選的DC偏壓電極415以將電漿中的離子引導到基板以用於增強加工。DC偏壓電極連接到DC電源供應416，理想上具有500VDC到30kVDC範圍的電壓。

可藉由以下步驟來激發示例性150mm線電漿源中的大氣壓線電漿：使電漿工作氣體（如氬）以5slpm至45slpm的流速流動，開起可以為500kHz至40MHz的RF源，以及將連接到RF電感器的匹配網路調諧到500 W前向功率和0瓦反射功率。然後將來自壓電源或特斯拉火花線圈的火花引入在RF電磁場中流動的電漿工作氣體中。火花開始電子中性原子級聯（電子突崩）電離過程。只要保持RF功率和電漿氣體流速，電漿就在該點自我維持。可以調整RF功率和電漿氣流兩者以最佳化所需製程的電漿特性。可以透過光學發射光譜法或藉由鉑尖端朗繆爾（Langmuir）探針來測量電漿特性。接著，待處理的基板以固定速度通過線電漿，該速度可以是1mm/s至1000mm/s。處理可涉及多次通過或者可以是單次通過，如可視針對有效加工的應用之需要。

圖4A和4B表示採用雙扁平RF線圈結構的實施例的3D成像，使用圖1中的相同參考標記。當單獨使用時，扁平線圈往往比螺線管形線圈效率低，但是在使用扁平線圈的本實施例中，在石英板槽的任一側上的扁平線圈彼此異相驅動。如此產生了緊密限制的電場並使兩個線圈的磁場彼此相對（以「降壓（buck）」），迫使電漿到它們之間的中心。如此導致能量密度更高的電漿能夠在每單位時間內在基板表面上進行更多的工作。另外，電場在從一個線圈到另一個線圈的直線方向上形成，具有更高的場密度穿過電漿氣體，而引起高度的激發。

圖5A和5B（使用與圖1相同的參考標記）表示3D成像，其是採用螺線管形RF電感器的替代實施例。

作為圖6中的側視圖所示的另一替代實施例，雙扁平線圈501可以以串聯方式連接，使得可產生更寬的線源且仍然保持高度的電漿密度、均勻性和能量。串聯的幾個扁平線圈501可以與在石英板的相對側上串聯的扁平線圈為鏡像，且為異相驅動以產生與圖2（參考608）和4A、4B（參考501）中所示的雙扁平線圈501相同的好處。

顯然地，在不背離所附專利申請範圍中所界定的本揭示案的精神或範圍下，本發明所屬領域中具有通常知識者可以對本揭示案的偏好實施例作各種改變。因此，本揭示案涵蓋了所附專利申請範圍的範圍以及其等效範圍內之修改和變化。

501‧‧‧雙扁平線圈

502‧‧‧石英板組件

503‧‧‧氣刀石英組裝接合件

504‧‧‧陶瓷氣刀夾具

505‧‧‧氣刀

506‧‧‧螺栓

507‧‧‧螺栓

508‧‧‧入口配件

509‧‧‧入口配件

510‧‧‧線性電漿捲流

601‧‧‧電漿氣體流前部石英

602‧‧‧石英支撐間隔件

603‧‧‧石英支撐間隔件

604‧‧‧後部石英板

605‧‧‧陶瓷氣刀石英組裝接合件

606‧‧‧氣刀

607‧‧‧陶瓷氣刀夾具

608‧‧‧雙扁平RF電感器

包含的附圖提供進一步理解，且併入說明書中及構成本說明書的一部分。圖式繪示了一個或更多個實施例，並與說明書一併作為解釋各個實施例的原理與操作。如此一來，通過以下實施方式並結合所附圖式閱讀，將更全面地理解本揭示案，其中：

圖1表示根據本揭示案實施例的線性RF電漿源的側視圖；

圖2表示圖1中所示的線性RF電漿源的等距分解圖；

圖3表示基本基礎設施系統的實施例，如可用於操作本揭示案的線性RF電漿源的各種實施例；

圖4A和4B表示採用雙扁平RF線圈結構的實施例的3D成像；

圖5A和5B表示採用螺線管形RF線圈結構的實施例的3D成像；及

圖6表示採用以串聯連接的雙扁平線圈的實施例的側視圖（其中兩個雙串聯線圈中的一側或一個在圖中可見）。

國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無

國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

Claims (10)

1. 一種大氣壓線性RF電漿源，包括： 一殼體，該殼體包圍一延伸槽形式的一腔室，該槽具有一寬度W 、一長度L 和一厚度T ，其中W ≥20T ，該殼體具有兩個相對的主要壁及兩個相對的次要壁，該等兩個主要壁在該槽的該厚度的一方向上包圍該槽，該等兩個次要壁在該槽的該寬度的一方向上包圍該槽，該殼體具有與該槽連通的一頂部開口，該頂部開口用於接收一氣體的一流，該殼體具有與該槽連通的一底部開口，該底部開口用於輸送一電漿流，該底部開口向大氣壓開放，該殼體具有一內部表面和一外部表面，該內部表面包含面向該等主要壁和該等次要壁的各者的該槽之表面，該外部表面包含背離該等主要壁和該等次要壁的各者的該槽之表面，該殼體的該等兩個主要壁包含一介電材料；及 兩對或更多對扁平線圈，每對扁平線圈包含一第一扁平線圈和一第二扁平線圈，該第一扁平線圈和該第二扁平線圈以一相對的關係定位在該殼體的相對側上且面向其該等主要壁的該等外表面定向。
2. 如請求項1所述之源，進一步包括一RF電源，該RF電源連接到每個相對的第一扁平線圈和第二扁平線圈，且該RF電源經建構和佈置成能夠以一異相的（相反的相位）關係驅動每個相對的第一扁平線圈和第二扁平線圈。
3. 如請求項1和2中任一項所述之源，進一步包括一氣刀，該氣刀可連接到一工作氣體供應，該氣刀具有一氣刀輸出槽，該氣刀輸出槽經定位以透過該殼體的該頂部開口將一工作氣體流輸送到該殼體中。
4. 如請求項3所述之源，其中該第一主要壁和該第二主要壁包括石英。
5. 如請求項3所述之源，其中W ≥30T 。
6. 如請求項3所述之源，其中W ≥100T 。
7. 如請求項3所述之源，其中選擇T 以便允許該源能夠從該殼體的該下部開口提供一層流（laminar flow）的電漿。
8. 如請求項3所述之源，其中選擇T 以便允許該源能夠提供一層流的電漿，該層流的電漿從該殼體的該下部開口延伸1至3cm範圍內的一距離。
9. 如請求項3所述之源，其中選擇T 以便允許該源能夠提供一層流的電漿，該層流的電漿從該殼體的該下部開口延伸2至3cm範圍內的一距離。
10. 一種大氣壓線性RF電漿源，包括： 一殼體，該殼體包圍一延伸槽形式的一腔室，該槽具有一寬度W 、一長度L 和一厚度T ，其中W ≥20T ，該殼體具有兩個相對的主要壁及兩個相對的次要壁，該等兩個主要壁在該槽的該厚度的一方向上包圍該槽，該等兩個次要壁在該槽的該寬度的一方向上包圍該槽，該殼體具有與該槽連通的一頂部開口，該頂部開口用於接收一氣體的一流，該殼體具有與該槽連通的一底部開口，該底部開口用於輸送一電漿流，該底部開口向大氣壓開放，該殼體具有一內部表面和一外部表面，該內部表面包含面向該等主要壁和該等次要壁的各者的該槽之表面，該外部表面包含背離該等主要壁和該等次要壁的各者的該槽之表面，該殼體的該等兩個主要壁和該等兩個次要壁包含一介電材料；及 一細長螺線管線圈，該細長螺線管線圈圍繞該殼體的該外表面。