TWI595809B - 微波電漿發生裝置及其操作方法 - Google Patents

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Description

微波電漿發生裝置及其操作方法
本發明涉及一種微波電漿發生裝置，其具有一電漿室、至少一個設在所述電漿室外部用於產生微波之微波發生裝置、以及一能夠將所述微波接入到所述電漿室內的微波接入裝置，其中，所述微波接入裝置具有穿過所述電漿室至少一個室壁而伸入所述電漿室的一內導體、包圍所述內導體並且將所述內導體與所述電漿室內腔隔開的一絕緣管、和穿過所述至少一個室壁而伸入所述電漿室的外導體，所述外導體與所述內導體同軸設置但並不包圍所述內導體的整個圓周並且在所述電漿室中具有至少一個外導體末端，其中，所述內導體和所述外導體形成一微波導線，並且在所述電漿室中，微波可以從所述微波導線中出來，以便在所述電漿室內腔中產生微波電漿。本發明還涉及一種操作該微波電漿發生裝置之方法。
上述類型的微波電漿發生裝置從先前技術例如由文獻DE 41 36 297 A1已知。其中所描述的微波電漿發生裝置 用於在基底處理室內局部地產生電漿。其中所使用的微波接入裝置從設置在電漿室的室壁上的凸緣中穿過。所描述的微波接入裝置具有由絕緣材料構成的外導引空心導體(Führungshohlleiter)，由金屬構成的內導體在該導引空心導體內延伸，其中將微波從微波發生裝置接入到該內導體中。微波傳播以同軸波型(koaxialer Wellentyp)較佳的是在內導體和所產生的電漿之間的間隙中進行。微波按同軸波導原理在導引空心導體中進一步傳播，周圍的電漿承擔外導體作用。藉由在明確的區域遮罩該導引空心導體，可以將形成於管表面的電漿區集中於期望區域。在此情況下，導引空心導體的外套由金屬構成，並因而承擔外導體作用，並在該區域內防止微波外泄到處理室的真空區中，否則該等真空區內就會產生電漿。
這種微波電漿發生裝置能產生較高的電漿密度，從而實現高效電漿加工。微波電漿發生裝置可以脈衝式運行或連續運行。在微波功率為脈衝式的情況下，脈衝可以設置為同相的，也可以設置為具有明確的相偏移。
舉例而言，可以實現沈積率較高的電漿輔助CVD沈積。借助微波電漿而實現的電漿輔助CVD沈積的特點在於，作用於層的離子的離子能量比較低。這在基底表面易受影響的情況下極為有利，但有時會導致層品質下降，例如當要求在達到較高沈積率的同時實現極高的層密度時。一種已知的增加層密度的方法係藉由能加速離子的基底偏壓來提高離子能量。然而事實表明，在基底載具和基底發 生運動的情況下，實際很難可靠地調節期望的基底偏壓。
有鑑於此，本發明的目的係提供一種能確保較高沈積率的同時沈積高品質層的簡單方法，以及一種用於實施該方法的相應的設備工藝。
根據本發明的一方面，本發明用以達成上述目的的解決方案為一開篇所述類型的微波電漿發生裝置，其中，在所述電漿室內腔中設有至少一個與所述內導體同軸佈置且與所述室壁電絕緣的電漿電極，該電漿電極可被施加DC電壓、NF電壓或HF電壓且可與所述微波電漿電接觸，從而使得所述微波電漿可以至少部分地承擔所述外導體的作用。根據本發明，DC電壓在此指直流電壓，NF電壓在此指低頻電壓，即頻率為20Hz至20000Hz的電壓，HF電壓指高頻電壓，即頻率為3MHz至300GHz左右的電壓。
以較大電功率工作的微波導線的外導體較佳的是電性接地。接地能夠使本發明所提供的微波電漿發生裝置具有簡單的技術結構和較高的運行安全性。
在本發明所提供的微波電漿發生裝置中，所述外導體在電漿室的內部終止於所述至少一個外導體末端處。緊接著外導體末端設有作為電導體的微波電漿，其中，該微波電漿在微波導線中至少部分承擔外導體的作用。外導體末端可以圍繞微波接入裝置的整個圓周設置，或者僅圍繞微 波接入裝置的部分圓周設置。無論哪種情況，外導體都會自外導體末端開始至少部分中斷，使得在中斷區域內，外導體自身不再提供能防止微波從內導體外泄進入電漿室內腔的遮罩功能。在該線性微波電漿發生裝置中，所述微波電漿在外導體末端之後取代此處所缺失的外導體。
其實現方式為：當本發明所提供的微波發生裝置的電漿達到截止密度時，該電漿就會變成該微波發生裝置的高傳導性同軸外導體。如果將這個高密度電漿與可能的“接地”環境絕緣地佈置，就可以將該電漿當作用於低壓電漿的新電極。在本發明所提供的微波電漿發生裝置中，為此需要在微波發生裝置的絕緣管上採用對地絕緣的封閉技術，並將用於接觸微波電漿的電漿電極連接到外部電壓源。
每一個所產生的電漿相對於與之相互作用或者將其包圍的壁均形成一電漿邊緣層電位。因此，電漿電極不與微波電漿進行真正的歐姆接觸。所以重要的是耦合的電漿電極面積足夠大，以便調節出流向基底的期望的載子流(Ladungsträgerstrom)。
在本發明所提供的微波發生裝置中，所述電漿電極圍繞外導體設置在外導體末端附近。這個電漿電極與室壁和外導體電絕緣且可被施加直流電壓、低頻電壓或高頻電壓。因而在本發明所提供的微波電漿發生裝置中，所述微波電漿的電特性不僅取決於微波導線所導入的微波，還取決於被施加在電漿電極上的直流電壓、低頻電壓或高頻電 壓。
饋送給所述電漿電極的電壓可以是直流電壓或交流電壓。電壓饋送裝置可以連續運行或者以脈衝式運行。交流電壓的頻率範圍較佳的是介於約50Hz與13.56MHz之間。具體操作時根據技術要求進行選擇，不限於此處所給出的頻率範圍。在特定的應用條件下，微波發生裝置和電漿電極的電壓饋送裝置較佳的是也可以在時間上以明確的相對關係進行工作。舉例而言，這樣就可以按基底加工的時間順序進行高離子能量或低離子能量的離子轟擊。
在由先前技術已知的傳統的微波電漿發生裝置中，微波電漿大多直接接在接地外導體後面或者與周圍處於地電位的壁存在密切的相互作用，並且因而其自身也具有在地電位附近的電位。在此情況下，即便使用附加的電漿電極也無法將微波電漿提升至較高的電漿電位。本發明消除這一缺陷的做法是使微波電漿始終與周圍的且接地的壁絕緣，再在電漿電極上施加直流電壓、低頻電壓或高頻電壓，借此增大微波電漿與基底之間的電位差，從而使得來自微波電漿的離子以更大的能量擊中基底。可以藉由這種方式來加以調節的離子能量例如能增大沈積層的層密度，能夠克服層癒合過程(Ausheilvorgang)中的能壘。所述電漿電極係本發明所提供的微波電漿發生裝置的固定組成部分。因此，該電漿電極可以簡單可靠地進行電連接。
利用電漿電極能取得與基底偏壓相似的技術效果，但採用電漿電極的解決方案更可靠，也簡單。
本發明所使用的微波電漿的特徵在於簡單的線性可擴展性。與低頻激發頻率相比，微波電漿能達到很高的電漿密度，因而特別適用於高速處理過程。此外，本發明藉由將微波電漿與低頻放電或高頻放電疊加，可以調節出相對於參考地(Bezugsmasse)的可變邊緣層電位。這樣就能對撞擊基底表面的離子的能量進行一定範圍內的自由調節。由於本發明所提供的微波電漿發生裝置中所形成的微波電漿總是產生於微波接入裝置的外徑上，因而也就始終存在高傳導性電極，該電極相對於參考地能起到新電極的作用。當微波接入裝置的介電絕緣管上生長絕緣塗層時，也會出現這種情況。
在本發明所提供的實施為線性電漿源的微波電漿發生裝置中，所述至少一個外導體較佳的是在所述室壁區域內接地。因此，室壁和外導體可由接地的金屬構成。如果外導體與室壁的連接點處於地電位，就能使本發明所提供的微波電漿發生裝置具有特別簡單的結構。在此情況下，外導體的安裝也很方便，例如借助焊接連接或螺旋連接就能完成安裝。但外導體並非必須在室壁的區域內接地，外導體也可以例如與導電室壁絕緣或者固定在絕緣室壁中。
根據本發明所提供的微波電漿發生裝置的另一變體，所述外導體也可以與電壓饋送裝置連接。此時須為外導體提供較高頻率的交流電壓並使其對地絕緣。這種情況下可以藉由位於絕緣管內部的外導體對微波電漿進行介電耦合。如此一來，所述至少一個外導體將滿足電漿電極的作 用，此時可徹底棄用電漿電極。
根據本發明所提供的微波電漿發生裝置的有益技術方案，所述至少一個外導體佈置在所述絕緣管內部。運行電漿室時一般須相對於環境封閉電漿室。亦即，電漿室在微波導線區域內也須採取密封措施。絕緣管係實現這一密封的有益解決方案。管件係在因內外壓力差而產生的機械負荷下總體穩定的構件，因而非常適用於本發明所提供的微波電漿發生裝置。
藉由將外導體佈置於絕緣管內部，該外導體與微波電漿在空間上分離，外導體上不會發生層沈積或者受到其他的電漿作用。在這個解決方案中，絕緣管起空間隔離作用，同時又用作供微波從絕緣管內部進入設於絕緣管外部的電漿室內腔的出射視窗。
根據本發明所提供的微波電漿發生裝置的有益變體，所述至少一個外導體末端係一個直管端。在該技術方案中，微波電漿在外導體末端之後形成圍繞內導體的空心圓柱形外導體。也就是說，此時的微波電漿不僅存在於內導體的基底側，也存在於內導體遠離基底的一側。這種微波電漿發生裝置例如適用於氣體分子有利地在微波電漿中停留較長時間的電漿加工過程。
根據本發明所提供的微波電漿發生裝置的替代性技術方案，所述外導體呈管狀且包括至少一個沿所述外導體的縱向延伸的條帶形開口。在該技術方案中，管狀外導體具有沿外導體縱向延伸的開口，該開口係空心圓柱形外導體 上的一個條帶形槽隙。藉由這個或這些條帶的寬度和長度，可以對微波在微波導線中的衰減係數施加影響。該條帶還可以在空間上佈置於內導體和需要用微波電漿發生裝置來處理的基底之間，從而使得微波電漿有利地定位於直接進行電漿加工的期望位置附近。
根據本發明所提供的微波電漿發生裝置的特別適合的實施例，所述室壁至少分段構成所述外導體。外導體並非在任何情況下都是指單一的機械部件，例如一個管件。有時候，例如在微波分配的區域中，外導體也可以由多個不同的部件機械複合而成。在此情況下，室壁可以用作外導體部件的簡單且成本低廉的固定手段，並且還分段地構成外導體本身。
根據本發明所提供的微波電漿發生裝置的較佳的可選方案，所述微波導線穿過兩個相對佈置的室壁，其中在所述電漿室中，在所述相對佈置的室壁上設有兩個相對佈置的電漿電極，所述微波電漿形成於所述電漿電極之間。在本發明的這項技術方案中，微波電漿在電漿室的外側區域與電漿電極發生接觸。
為了避免電漿電極區域內形成不明確的電漿，先前技術係為電漿電極配設暗區遮罩裝置(Dunkelraumabschirmung)。此處需要注意的是，微波電漿自身不與該暗區遮罩裝置的接地部件發生實質性接觸。
微波電漿在電漿室中心不間斷地延伸過電漿室的大部分寬度。不間斷的微波電漿能夠實現大範圍的均勻的電漿 加工。藉由穿過兩個室壁，可以方便可靠地將微波接入裝置固定在該等室壁上。如果微波接入裝置具有在室壁處密封的封閉管件，則還可以用該管件來輸送介質，例如冷卻介質。在其他技術方案中，微波接入裝置也可以僅穿過一室壁並且終止於電漿室的內腔中。
根據所述微波電漿發生裝置的有益技術方案，所述至少一個電漿電極呈管狀，其中，所述電漿電極的一個管端相應地實施為與所述微波電漿接觸的電觸點。管狀電漿電極特別容易構建。管狀電漿電極既可與沿整個圓周設置的外導體末端結合使用，又可與不同的沿部分圓周設置的外導體末端結合使用。
根據本發明的簡單實施方式，所述電漿電極的管端可實施為直管端。但是，所述電漿電極的管端也可以具有連續增大、分級增大或不連續增大的半徑。借此可以使電漿電極具有不同的、與微波電漿接觸的接觸面區域。
作為本發明所提供的微波電漿發生裝置的上一項技術方案的替代方案，所述電漿電極實施為直通管，所述直通管具有至少一個在所述直通管的外套中沿所述直通管的縱向延伸的電漿電極開口，其中，所述微波電漿設於所述至少一個電漿電極開口中。該技術方案僅使用一電漿電極，因此該電漿電極也只需連接一次。這個電漿電極具有至少一個電漿電極開口，其中，該電漿電極開口的邊緣與微波電漿發生接觸。電漿電極的所有其他區域都至少部分配設暗區遮罩裝置。在暗區遮罩裝置的開放區域上可以設置用 來形成電漿的明確區域。主要用電漿電極的電壓來保持該等區域。
顯然，這個電漿電極必須被安裝成使得電漿電極開口的定向與所述至少一個外導體末端相匹配。所述至少一個電漿電極開口的形狀、大小和位置還能對微波電漿產生影響，例如可以充分利用該微波電漿來沿微波電漿發生裝置的線性尺寸實現良好的加工均勻性。
所述電漿電極開口較佳的是佈置在所述內導體和至少一個有待用所述微波電漿進行加工的基底之間。借此將微波電漿定位於基底附近，這樣就能將所提供的微波功率有效利用於層的產生或其他形式的基底加工。
根據本發明所提供的微波電漿發生裝置的有益實施方式，所述至少一個電漿電極與室壁和至少一個待加工基底間隔一定距離佈置，使得在所述電漿電極和所述至少一個基底之間可形成至少一個電漿。在該改進方案中，電漿電極不僅適於接觸微波電漿，而是可以藉由施加直流電壓、低頻電壓或高頻電壓在電漿電極的周圍驅動電漿。這個電漿可以具有不同用途，例如用來支持微波電漿加工或者用於獨立於微波電漿加工的清洗過程。
作為本發明所提供的微波電漿發生裝置的上一種實施方式的特別佳的改進方案，所述電漿可作為所述電漿電極和所述微波電漿之間的電觸點的一部分。如果是實體的電漿電極，則連續運行中的例如塗布處理有可能導致電接觸特性發生變化，如果微波電漿不但藉由實體的電漿電極接 觸，還藉由該電漿接觸，就能減小甚至避免這種變化。
根據另一實施方式，本發明所提供的微波電漿發生裝置具有至少一個透氣的電漿遮罩裝置和/或至少一個用於使所述微波電漿成形的磁性裝置。利用該電漿遮罩裝置和/或磁性裝置可以按照實際要求針對性地調節各種電漿參數，例如電漿的幾何形狀、電漿密度和/或離子在電漿中的停留時間。這樣能進一步改善層的品質和/或提高加工效率。
根據本發明的第二方面，本發明用以達成前述目的的解決方案為一種操作微波電漿發生裝置的方法，其中，借助微波接入裝置將設於所述微波電漿發生裝置的電漿室外部的微波發生裝置的微波接入到所述電漿室中，所述微波接入裝置穿過至少一個室壁而伸入所述電漿室，其中，所述微波接入裝置具有穿過所述電漿室至少一個室壁而伸入所述電漿室的一個內導體、包圍所述內導體並且將所述內導體與所述電漿室內腔隔開的一個絕緣管、和至少一個穿過所述至少一個室壁而伸入所述電漿室的外導體，所述外導體與所述內導體同軸設置但並不包圍所述內導體的整個圓周，並且在所述電漿室中具有至少一個外導體末端，其中，所述內導體和所述外導體形成一個微波導線，並且在所述電漿室中，微波可以從所述微波導線中出來，以便在所述電漿室內腔中產生微波電漿，其中，在所述電漿室內腔中設有至少一個與所述內導體同軸佈置且與所述室壁電絕緣的電漿電極，該電漿電極被施加直流電壓、低頻電壓 或高頻電壓並且與所述微波電漿電接觸，其中，所述微波導線中傳輸用於將所述微波電漿離子化的微波功率，從而使得所述微波電漿至少部分地承擔所述外導體的作用，其中，藉由所述至少一個電漿電極上的直流電壓、低頻電壓或高頻電壓來調節所述微波電漿的電位。
該方法一方面藉由將微波功率送入電漿室來產生微波電漿，該微波電漿能引發較高的載子密度，從而產生較大的電漿作用，例如實現較快的電漿層沈積。此外，本發明所提供的方法還使這個微波電漿與所述至少一個電漿電極發生電接觸並與直流電壓、低頻電壓或高頻電壓耦合。借此使微波電漿的電位發生相對於基底電位的偏移，以便被電位差加速的離子獲得期望的能量並在擊中待處理基底時發揮有益作用。
根據本發明所提供的方法的有益技術方案，對所述微波電漿相對於至少一個接地基底或者相對於至少一個處於偏置電位的基底的電位進行調節。借助電漿電極而實現的微波電漿的電位偏移主要是作為效果基本相似的基底電位偏移的替代性措施。但也可以在不依賴電漿電極對微波電漿的影響的情況下，再附加性地對基底電位(又稱偏置電位)進行調節。這個附加可選方案能使微波電漿的電位和基底電位產生彼此關聯。舉例而言，較佳的是可以將該等電位調節成相對於地電位的對稱電位。
1，1’，1”，1'''，1''''‧‧‧微波電漿發生裝置
2，2’‧‧‧電漿室
3‧‧‧室壁
4‧‧‧內導體
5‧‧‧絕緣管
6，6’‧‧‧外導體
7‧‧‧外導體末端
8，8’，8”‧‧‧電漿電極
9‧‧‧微波電漿
10‧‧‧電觸點
11‧‧‧氣體噴淋器
12‧‧‧泵管
13‧‧‧交流電壓源/電壓饋送裝置
14‧‧‧基底載具
15‧‧‧基底
16‧‧‧加熱器
17‧‧‧條帶形開口
18‧‧‧電漿電極開口
20‧‧‧電漿
21‧‧‧遮罩裝置
22，23，24‧‧‧進氣口
25‧‧‧電漿遮罩裝置
26‧‧‧磁性裝置
27‧‧‧傳送輥
28‧‧‧內腔
29‧‧‧微波接入裝置
30‧‧‧氣體輸送裝置
μW‧‧‧微波
下面參照附圖對本發明的較佳的實施方式、結構、功能和優點進行詳細說明。
圖1為本發明所提供的微波電漿發生裝置的實施例沿其線性尺寸所截取之橫截面示意圖；圖2為本發明所提供的微波電漿發生裝置的另一實施例之橫截面示意圖；圖3為本發明所提供的微波電漿發生裝置的又一實施方案之橫截面示意圖；圖4為本發明所提供的微波電漿發生裝置的再一實施例之橫截面示意圖；圖5為圖4所示的微波電漿發生裝置垂直於線性尺寸所截取的橫截面示意圖；及圖6為本發明所提供的微波電漿發生裝置的示意圖，其包括兩個設置於基底兩側的微波接入裝置。
圖1為本發明所提供的具有電漿室2的微波電漿發生裝置1的實施方式沿微波電漿發生裝置1的線性尺寸所截取的豎直橫截面示意圖。實際操作時也可以將本發明所提供的微波電漿發生裝置1簡稱為電漿源。
電漿室2具有內腔28，微波接入裝置29穿過電漿室2的室壁3而伸入該內腔並且穿過與之相對佈置的室壁3後又從電漿室2中伸出來。相應地，微波接入裝置29具有的線性尺寸大於電漿室2的尺寸。
在圖示實施例中，微波接入裝置29與水平平放於基底載具14上、需要用微波電漿發生裝置1加以處理的基底15平行佈置。在圖示實施例中，基底載具14平放在傳送輥27上並且可由傳送輥27沿垂直於繪圖平面的方向進行傳送。傳送平面實際為水平定向。
在本發明的其他未圖示實施例中，基底15不是水平放置，而是以其他方式進行固定，例如以豎直定向固定。在該等未圖示實施例中，微波接入裝置29相應也是以其他方式進行佈置，例如豎直佈置於相應的電漿室中。在本發明同樣未圖示的其他實施例中，可以為基底15使用其他承載裝置，以及/或者為基底15使用其他傳送系統或者為基底15使用簡單的固定裝置。
微波接入裝置29與設在電漿室2外部、此處未單獨示出的微波發生裝置耦合，該微波發生裝置產生微波μW。
微波接入裝置29具有線性延伸的內導體4。內導體4由導電材料如金屬構成，設置在絕緣管5內部，該絕緣管包圍內導體4並且將其與電漿室2的內腔28隔開。絕緣管5由不導電材料構成，例如介電材料，如玻璃或氧化物陶瓷。
在本發明如圖1所示的實施方式中，電漿室2的兩側設有同軸包圍內導體4的外導體6，該外導體由導電材料如金屬構成。其中，內導體4和外導體6彼此電絕緣。外導體6與內導體4一樣從電漿室2的外部伸入電漿室2的 內腔28且分別在內腔28內部終止於外導體末端7處。因此在圖1所示的實施方式中，有兩個外導體末端7相對佈置，在該等外導體末端7之間則沒有外導體6同軸包圍內導體4。由於外導體末端7之間的中間區域內未採取電遮罩措施，因此在該中間區域內，由內導體4傳導的微波μW會直接從內導體4外泄進入電漿室2的內腔28。
在本發明如圖1所示的實施方式中，電漿室2的兩側還設有與內導體4同軸並包圍絕緣管5的電漿電極8，該等電漿電極分別終止於電漿室2的內腔28且可分別被施加直流電壓、低頻電壓或高頻電壓。為此，電漿電極8分別與一電壓饋送裝置13連接。為此所需要的連接線在電漿室2內部具有與先前技術相符的電漿遮罩功能，其作用係避免形成不明確的電漿。該電漿遮罩功能例如可以借助暗區遮罩裝置而實現。
如圖1所示，電漿室2的內腔28內部設有微波電漿9。內導體4與外導體6共同形成一用於將微波μW導入電漿室2以提供給微波電漿9的微波導線。微波電漿9在電漿電極8之間圍繞未被外導體6包圍的內導體4延伸。其中可在電漿電極8上施加直流電壓、低頻電壓或高頻電壓。在電觸點10上完成從電漿電極8到微波電漿9的低頻電壓或高頻電壓耦合。電漿電極8應至少部分配設此處未圖示的暗區遮罩裝置。
在圖1所示的實施方式中，電漿電極8實施為管狀電極。為了改善與微波電漿9之間的電接觸，電漿電極8的 管狀末端的半徑也可以例如連續增大，分級增大或者以與某個或某些明確長度成函數關係地增大。借此可以使電漿電極8具有不同的、與微波電漿9接觸的接觸面區域。
在電漿室2內部，微波電漿9至少在微波接入裝置29的線性尺寸的一區段上承擔外導體6的作用。如此一來，儘管這個區段中不存在實體的外導體6，卻仍能沿微波接入裝置29的線性尺寸傳輸微波。
在圖1所示的實施例中，微波電漿發生裝置1的、設置在電漿室2兩側的外導體6實施為管狀外導體6，該等外導體接地並且在電漿室中一直延伸至外導體末端7。內導體4在圖示實施例中的延伸範圍則覆蓋微波電漿發生裝置1的整個線性尺寸。內導體4與外導體6共同形成一用於被接入到內導體4中的微波μW的波導。由於外導體末端7處未設置外導體6，微波μW可以在此處從該微波導線外泄進入電漿室2。
電漿室2中還設有氣體噴淋器11，借此將適於形成所期望的電漿的氣體送入電漿室2。對由氣體噴淋器11送入的氣體和由泵管12排出的氣體進行定量，使得電漿室2中產生一動態調整的且適於形成微波電漿9的壓力。微波μW進入電漿室2的內腔28後使得該內腔中的氣體被電離，從而形成具有導電能力的微波電漿9。微波電漿9的作用如同電導體，該電導體在外導體末端7之後至少部分承擔起此處所缺失的外導體6的功能，並且能使微波μW在電漿室2中得到進一步傳輸。
在本發明所提供的微波電漿發生裝置1中，微波電漿9與外導體末端7絕緣。但與電漿電極8之間存在良好的電接觸10，該等電漿電極與電漿室2的室壁3電絕緣。在圖示實施例中，電漿電極8同心佈置在外導體6外部。從微波接入裝置29的軸向看，電漿電極8延伸至外導體末端7的前方不遠處。
在本發明的其他未圖示實施方案中，原則上也可以藉由外導體6以電容方式耦合微波電漿9。這要求外導體6自身對地絕緣且與電壓饋送裝置13連接。在此情況下，外導體6可以起電漿電極8的作用，就不必再使用圖1所示的電漿電極8。但這項方案在技術上非常具有挑戰性，主要是無法為外導體6提供直流電壓，就算是提供交流電壓，也僅限於較高頻率。
在圖1所示的實施例中，電漿電極8分別與一電壓饋送裝置13(例如高頻電源)連接。借助電壓饋送裝置13所產生的電壓可以控制微波電漿9與室壁3之間以及該微波電漿與基底15之間的電位差。藉由這種方式可以對從微波電漿9中作用於基底15的離子的能量進行調節。借此進而能實現微波電漿9對基底15的有益影響。
圖1所示的實施例是在電漿室2中完成電漿輔助化學氣相沈積。微波電漿9具有較高的離子密度和電子密度，因而能高強度地碎裂和激發工作氣體。電壓源13分別產生一高頻電壓，藉由這個高頻電壓確保沈積層受到程度適當的離子轟擊，從而使得該層在基底15上快速高品質地 生長。
在其他未圖示實施例中，電漿室2不是沈積室，而是電漿處理室或電漿蝕刻室。
在圖1所示的實施例中，可用加熱器16加熱基底載具14和平放在該基底載具上的基底15。加熱器16可以根據期望的溫度範圍而採用不同的實施方式，例如實施為加熱板或輻射加熱裝置。
加熱器16在本實施例中為接地加熱板，對於基底載具14和基底15而言，該接地加熱板還形成電容接地。
圖2展示本發明所提供的微波電漿發生裝置1’的另一實施例沿該微波電漿發生裝置1’的線性尺寸所截取的橫截面示意圖。與上文聯繫圖1所介紹的微波電漿發生裝置1不同的是，本實施例中的外導體6’在附圖上半部分中延伸穿過整個電漿室2。這個外導體6’僅在朝向基底15的一側具有條帶形開口17。如此一來，內導體4僅部分圓周發出微波功率，而非整個圓周都發出微波功率。相應地，也不是圍繞內導體4在其整個圓周區域內都形成微波電漿9，而是僅在其部分圓周區域內在內導體4和基底15之間形成微波電漿。在這個實施例中，可以針對一個明確的較小體積區域將所使用的微波功率用於產生電漿，從而實現局部提高的載子密度。這就可以將工作氣體和微波功率以比圖1中的實施例更強的程度應用於基底15的塗覆。舉例而言，圖2中局部提高的載子密度可以用來形成沿基底加工方向提高的離子流。
但是，圖2所示的實施方式並非總體優於圖1中的實施方式。舉例而言，圖1中的微波電漿9能實現更長的氣體活化時間，這有利於沈積。
條帶形開口17相對於基底15的角度定向可以任意調節。外導體6在圖2中也可以變成電漿電極，具體實現方式是取消外導體的接地並將其與電壓饋送裝置(例如電壓饋送裝置13)連接。這樣就不必再使用圖2所示的實施方案中單獨設置的電漿電極8。
圖3為本發明所提供的微波電漿發生裝置1”的又一實施方案的示意圖。與前面幾個實施例不同的是，微波電漿發生裝置1”僅具有唯一一個電漿電極8’。在圖示實施例中，電漿電極8’是一個管件，其包括沿該管件縱向延伸的電漿電極開口18。藉由在電漿電極8’上施加電壓，可以在電漿室2中獨立於微波電漿9地點燃電漿20。
微波電漿發生裝置1原則上也可與圖1所示實施方式中的外導體6結合使用。借此防止微波在室壁3與電漿電極8之間的區域內透過絕緣管5而發生外泄。
圖3所示為本發明的一項可選方案，根據該可選方案，本發明所提供的微波電漿發生裝置1”可以用來處理可被設定至某一偏壓的基底15。在專業術語中，基底偏壓(Substratvorspannung)和基底偏置電壓(Substratbiasspannung)這兩個概念是同義詞。基底偏壓發生器19用於產生基底偏壓。由於基底偏壓，電漿室2中也能形成圖3中繪示在基底載具14前面的電漿20。
圖4為本發明所提供的微波電漿發生裝置1'''的再一實施例沿該微波電漿發生裝置1'''的線性尺寸所截取的垂直橫截面。這個實施方式所使用的電漿電極8”具有較大表面，因而也就能吸收較大的載子流。所產生的微波電漿9充滿電漿電極8”與絕緣管5之間的空間且接近於電漿電極8”的電位。
微波電漿發生裝置1'''具有與電漿電極8”相隔較小距離佈置的接地遮罩裝置21。這個距離必須小於選定處理條件下的暗區長度，這樣在電漿電極8”和接地遮罩裝置21之間就不會有電漿被點燃。接地遮罩裝置21和電漿電極8”共同為微波電漿9劃定空間界限並且將微波電漿與室壁3隔開。
圖4中示意性示出的氣體輸送裝置30須與室壁3部分絕緣。因此，將氣體輸送裝置30同時用作電漿電極8”的直流電壓、低頻電壓或高頻電壓饋送裝置，是有益的。
圖4所示的微波電漿9具有極為明確的體積，這樣就能高強度且有效地分解此處被送入的氣體。因此，微波電漿發生裝置1'''特別適用於高速處理過程，同時又能為基底輸送較高的離子流密度。
圖4中的實施方式也在內導體4周圍具有與該內導體電絕緣的外導體6。這樣就能將微波明輸送直至用以形成微波電漿9的開口區域中。
不同於圖4的是，圖5為微波電漿發生裝置1'''垂直於該微波電漿發生裝置1'''的線性尺寸所截取的橫截面 圖。
微波電漿發生裝置1'''具有用於第一處理氣體的進氣口22和用於第二處理氣體的進氣口23與24。被送入氣體在線性微波電漿發生裝置1'''的微波電漿9中的停留時間取決於進氣口22、23、24的不同進氣位置。與進氣口23、24所送入的氣體相比，來自進氣口22的氣體在微波電漿9中的停留時間更長，因而能得到更大程度的活化與分解。
以氮化矽沈積為例，氨氣可由進氣口22送入，矽烷相應可由進氣口23和24送入。連接到電壓饋送裝置13的電漿電極8”與透氣的電漿遮罩裝置25導電連接，因此電漿遮罩裝置25是電漿電極8”的一部分。透氣的電漿遮罩裝置25被接地遮罩裝置21包圍，二者間的間隙中存在一暗區，在該暗區內無法產生電漿，但能毫無阻礙地向電漿遮罩裝置25與電漿電極8”之間的空間送氣。
微波電漿發生裝置1'''還具有用於使電漿20的幾何形狀成形的磁性裝置26。磁性裝置26的磁極可以定向成使得從相對磁極出發的磁場不是相吸就是相斥。舉例而言，如果相對佈置的磁極為相同磁極，就會朝基底表面方向形成遠程磁場。從而使得所產生的電漿的密度朝基底表面方向增大。當相對磁極為相吸定向時，所產生的電漿如同在磁瓶中那樣被封閉在微波發生裝置1'''內部並增大密度。由此減小朝基底15方向的載子流。相對佈置的磁性裝置26也可以在不同於圖示位置以及沿接地遮罩裝置21 的明確位置上用於磁場的進一步成形。
圖6為本發明所提供的微波電漿發生裝置1''''的兩個在電漿室2’中豎直佈置在基底15兩側的微波接入裝置29。在電漿室2’中，圖中所示的兩個微波接入裝置29同時工作，因此單位時間內能加工雙倍於前述微波電漿發生裝置1、1’、1”、1'''的基底15。作為替代方案，可以在這個電漿室2’中對基底15進行雙面塗覆，這種情況下就需要使用能使基底得到雙面塗覆的基底載具。
1‧‧‧微波電漿發生裝置
2‧‧‧電漿室
3‧‧‧室壁
4‧‧‧內導體
5‧‧‧絕緣管
6‧‧‧外導體
7‧‧‧外導體末端
8‧‧‧電漿電極
9‧‧‧微波電漿
10‧‧‧電觸點
11‧‧‧氣體噴淋器
12‧‧‧泵管
13‧‧‧交流電壓源/電壓饋送裝置
14‧‧‧基底載具
15‧‧‧基底
16‧‧‧加熱器
28‧‧‧內腔
29‧‧‧微波接入裝置

Claims (18)

  1. 一種微波電漿發生裝置(1，1，，1”，1'''，1'''')，其具有一電漿室(2，2’)、至少一個設在所述電漿室(2，2’)外部用於產生微波(μW)的微波發生裝置、以及一能夠將所述微波(μW)接入到所述電漿室(2，2’)內的微波接入裝置(29)，其中，所述微波接入裝置(29)具有穿過所述電漿室(2，2’)的至少一個室壁(3)而伸入所述電漿室(2，2’)的一內導體(4)、包圍所述內導體(4)並且將所述內導體(4)與所述電漿室(2，2’)的內腔(28)隔開的絕緣管(5)、以及穿過所述至少一個室壁(3)而伸入所述電漿室(2，2’)的一外導體(6，6’)，所述外導體與所述內導體(4)同軸但並不沿整個圓周圍繞整個所述內導體設置，並且在所述電漿室(2，2’)中具有至少一個外導體末端(7)，其中，所述內導體(4)和所述外導體(6，6’)形成一微波導線，並且在所述電漿室(2，2’)中，微波(μW)可以從所述微波導線中出來，以便在所述電漿室(2，2’)的內腔(28)中產生微波電漿(9)，其中，在所述電漿室(2，2’)的內腔(28)中設有至少一個與所述內導體(4)同軸且與所述室壁(3)電絕緣的電漿電極(8)，所述電漿電極可被施加直流電壓、低頻電壓或高頻電壓且可與所述微波電漿(9)電接觸，從而使得所述微波電漿(9)可以至少部分地承擔所述外導體(6，6’)的作用， 其中，該內導體及該外導體彼此被電絕緣，其中，該外導體被定位於該內導體與該絕緣管之間，其中，該外導體被電性地接地，且其中，該電漿電極位於該絕緣管的外部。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之微波電漿發生裝置，其中，所述至少一個外導體(6，6’)在所述室壁(3)的區域內接地。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之微波電漿發生裝置，其中，所述至少一個外導體(6，6’)位於所述絕緣管(5)內部。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之微波電漿發生裝置，其中，所述至少一個外導體末端(7)係直管端。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之微波電漿發生裝置，其中，所述外導體(6’)呈管狀且形成有至少一個沿所述外導體(6’)縱向延伸的條帶形開口(17)。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之微波電漿發生裝置，其中，所述室壁(3)的至少一個區段構成所述至少一個外導體(6，6’)的一部分。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之微波電漿發生裝置，其中，所述微波導線穿過兩個相對佈置的室壁(3)，並且在所述電漿室(2，2’)中，在所述相對佈置的室壁(3)上設有兩個相對佈置的電漿電極(8)，所述微波電漿(9)形成於所述電漿電極之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之微波電漿發生裝置， 其中，所述至少一個電漿電極(8)周圍設有一暗區遮罩裝置。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之微波電漿發生裝置，其中，所述至少一個電漿電極(8)呈管狀，其中，所述電漿電極(8)的一管端係作為與所述微波電漿(9)接觸的電觸點(10)。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之微波電漿發生裝置，其中，所述管端中至少一個管端的半徑連續增大，分級增大或者不連續增大。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之微波電漿發生裝置，其中，所述電漿電極(8)實施為直通管，所述直通管包括至少一個在所述直通管的外套中沿所述直通管的縱向延伸的電漿電極開口(18)，其中，所述微波電漿(9)設於所述至少一個電漿電極開口(18)中。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之微波電漿發生裝置，其中，所述電漿電極開口(18)位於在所述內導體(4)和至少一個有待用所述微波電漿(9)進行加工的基底(15)之間。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之微波電漿發生裝置，其中，所述至少一個電漿電極(8)與室壁(3)和至少一個待加工基底(15)間隔一定距離佈置，使得在所述電漿電極(8)和所述至少一個基底(15)之間可形成電漿(20)。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之微波電漿發生裝 置，其中，所述電漿(20)可作為所述電漿電極(8)和所述微波電漿(9)之間的電觸點的一部分。
  15. 如申請專利範圍第1至14項中任一項所述之微波電漿發生裝置，其中，所述微波電漿發生裝置(1，1’，1”，1'''，1'''')具有至少一個透氣的電漿遮罩裝置(25)和/或至少一個用於使所述微波電漿(9)成形的磁性裝置(26)。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之微波電漿發生裝置，其中，所述至少一個外導體(6，6’)在未被電性地接地時與一交流電壓源(13)連接。
  17. 一種操作微波電漿發生裝置(1，1’，1”，1'''，1'''')之方法，其中，借助至少一個微波接入裝置(29)將至少一個設於所述微波電漿發生裝置的電漿室(2，2’)外部的微波發生裝置的微波(μW)接入到所述電漿室(2，2’)中，所述微波接入裝置穿過至少一個室壁(3)而伸入所述電漿室(2，2’)，其中，所述微波接入裝置(29)具有穿過所述電漿室(2，2’)的至少一個室壁(3)而伸入所述電漿室(2，2’)的一內導體(4)、包圍所述內導體(4)並且將所述內導體(4)與所述電漿室(2，2’)的內腔(28)隔開的一絕緣管(5)、以及至少一個穿過所述至少一個室壁(3)而伸入所述電漿室(2，2’)的外導體(6，6’)，所述外導體與所述內導體(4)同軸佈置但並不包圍所述內導體的整個圓周，並且在所述電漿室(2，2’)中具有至少一個外導體末端 (7)，其中，所述內導體(4)和所述外導體(6，6’)形成一微波導線，並且在所述電漿室(2，2’)中，微波(μW)可以從所述微波導線中出來，以便在所述電漿室(2，2’)的內腔(28)中產生微波電漿(9)，其中，在所述電漿室(2，2’)的內腔(28)中設有至少一個與所述內導體(4)同軸且與所述室壁(3)電絕緣的電漿電極(8)，所述電漿電極被施加直流電壓、低頻電壓或高頻電壓並且與所述微波電漿(9)電接觸，其中，所述微波導線中傳輸用於將所述微波電漿(9)離子化的微波功率，從而使得所述微波電漿(9)至少部分地承擔所述外導體(6，6’)的作用，其中，藉由所述至少一個電漿電極(8)上的直流電壓、低頻電壓或高頻電壓來調節所述微波電漿(9)的電位，其中，該內導體及該外導體彼此被電絕緣，其中，該外導體被定位於該內導體與該絕緣管之間，其中，該外導體被電性地接地，且其中，該電漿電極位於該絕緣管的外部。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中，對所述微波電漿(9)相對於至少一個接地的基底(15)或者相對於至少一個處於偏置電位的基底(15)之電位進行調節。
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