TWI719368B

TWI719368B - 高電漿密度離子源裝置

Info

Publication number: TWI719368B
Application number: TW107144308A
Authority: TW
Inventors: 廖博輝; 蕭健男
Original assignee: 財團法人國家實驗研究院
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2021-02-21
Also published as: TW202023324A

Abstract

一種高電漿密度離子源裝置，係包括一水冷式外加封閉磁場、一感應耦合天線、一水冷式高壓射頻真空引入、一石英隔離環及一頂件所構成，可於一真空中有效增加薄膜化合能力。藉此，本裝置簡單、無多孔電極及中和器，可增加電漿密度達10¹⁰cm^-3以上，應用本裝置於濺鍍系統及基板電漿前處理，可產生高能離子束，增加鍍膜之沉積能量及粒子反應性。

Description

高電漿密度離子源裝置

本發明係有關於一種高電漿密度離子源裝置，尤指涉及一種低電壓高純度離子源可應用濺鍍半導體磊晶薄膜，特別係指無多孔電極及中和器、裝置簡單適用於業界量產者。

離子源已廣泛應用於各種領域，如在半導體積體電路製造方面，舉凡不同材料薄膜之成長及電路之蝕刻皆普遍由電漿技術達成。另外在半導封裝及紡織業方面，則使用電漿來清潔及改變材料表面以達到特殊之功能及效果。

按，中華民國專利第464898號，此專利揭露利用燈絲加熱陰極，並於陰極與燈絲外圍配置陰極磁場組件，產生高電流之離子束輸出。中華民國專利第463245號，此專利揭露於弧光反應室之頂端設有兩片萃取電極板，利用電場作用使得帶有正電荷之離子穿過電極板中的孔隙自弧光反應室中萃取出來而形成離子束。中華民國專利第200939281號，此專利中電子發射元件是具有一絲線以及一斥拒極的一間接熱陰極，在操作過程中由絲線加熱間接熱陰極，使間接熱陰極發射電子準入弧形腔室，再由斥拒極驅除至少部份之電子。

然而上述這些設計過於複雜且製造昂貴，後續維修也很困難，這些設計所使用之多孔電極工藝複雜，成本高，燈絲則易汙染且難清潔，維護率高，無法達到長時間穩定運行之需求。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種裝置簡單無多孔電極及中和器，電子密度可達10¹⁰cm^-3以上，應用本裝置於濺鍍系統及基板電漿前處理，可以產生高能離子束，增加鍍膜之沉積能量及粒子反應性之高電漿密度離子源裝置。

為達以上之目的，本發明係一種高電漿密度離子源裝置，係包括：一水冷式外加封閉磁場，包含一底面、及一圍繞該底面周緣之外圍磁鐵區，且該底面與該外圍磁鐵區包圍界定出一容置空間，在該底面上形成有數個透孔，而該外圍磁鐵區內部設有一以不平行磁極排列之磁性元件以形成封閉磁場一感應耦合天線，係設於該容置空間中並自該些透孔延伸出該水冷式外加封閉磁場外面，用以生成感應耦合電漿；一水冷式高壓射頻真空引入，係與延伸出該水冷式外加封閉磁場外面之感應耦合天線耦接，用以提供一射頻功率以形成該感應耦合電漿；一石英隔離環，係容置於該感應耦合天線中，用以隔離該感應耦合電漿與該水冷式高壓射頻真空引入、該感應耦合天線、及該水冷式外加封閉磁場，以形成高純度感應耦合電漿；以及一頂件，係設於該水冷式外加封閉磁場上並蓋住該容置空間。

於本發明上述實施例中，該水冷式外加封閉磁場係由不銹鋼材料製成。

於本發明上述實施例中，該磁性元件係為數個磁鐵S極與N極以不平行磁極排列而成。

於本發明上述實施例中，該感應耦合天線係在對應於該外圍磁鐵區之面內，以沿該外圍磁鐵區之周圍方向而旋繞之方式來加以設置，形成為線圈狀。

於本發明上述實施例中，該水冷式外加封閉磁場所形成之封閉磁場會侷限電子在該感應耦合天線中，使電子密度達10¹⁰cm^-3以上。

於本發明上述實施例中，該水冷式高壓射頻真空引入在惰性、氧化、及氮化環境中均可提供離子源作業範圍，電壓從50~2500伏特(V)及電流從50~1000毫安培(mA)。

於本發明上述實施例中，該感應耦合電漿將裝置於射頻離子源中產生一高能且純淨離子束。

於本發明上述實施例中，該感應耦合天線係由真空硬焊製成之銅天線。

1:水冷式外加封閉磁場

11:底面

111:透孔

12:外圍磁鐵區

121:磁性元件

13:容置空間

2:感應耦合天線

3:水冷式高壓射頻真空引入

4:石英隔離環

5:頂件

6:感應耦合電漿

第1圖，係本發明高電漿密度離子源裝置之立體結架構示意圖。

第2圖，係本發明高電漿密度離子源裝置之側視示意圖。

第3圖，係本發明高電漿密度離子源裝置之仰視示意圖。

請參閱『第1圖~第3圖』所示，係分別為本發明高電漿密度離子源裝置之立體結架構示意圖、本發明高電漿密度離子源裝置之側視示意圖、及本發明高電漿密度離子源裝置之仰視示意圖。如圖所示：本發明係一種高電漿密度離子源裝置，係包括一水冷式外加封閉磁場1、一感應耦合天線2、一水冷式高壓射頻真空引入3、一石英隔離環4、以及一頂件5所構成。

上述所提之水冷式外加封閉磁場1係由不銹鋼材料製成，其包含一底面11、及一圍繞該底面11周緣之外圍磁鐵區12，且該底面11與該外圍磁鐵區12包圍界定出一容置空間13，在該底面11上形成有數個透孔111，而該外圍磁鐵區12內部設有一以不平行磁極排列之磁性元件121以形成封閉磁場，此封閉磁場會侷限電子在該感應耦合天線2中，使電子密度達10¹⁰cm^-3以上。其中，該磁性元件121係為數個磁鐵S極與N極以不平行磁極排列而成，並且每一垂直對置磁鐵是以S極(N極)面對N極(S極)之方式排列。

該感應耦合天線2係設於該容置空間13中，在對應於該外圍磁鐵區12之面內，以沿該外圍磁鐵區12之周圍方向而旋繞之方式來加以設置，形成為線圈狀，並自該些透孔111延伸出該水冷式外加封閉磁場1外面，用以生成感應耦合電漿6。其中，該感應耦合天線係由真空硬焊製成之銅天線，並可進一步於銅線上鍍銀。

該水冷式高壓射頻真空引入3係與延伸出該水冷式外加封閉磁場1外面之感應耦合天線2耦接，用以提供一射頻功率以形成該感應耦合電漿6。其中，該水冷式高壓射頻真空引入3可提供廣泛之離子源作業範圍，電壓從50~2500伏特(V)及電流從50~1000毫安培(mA)並在惰性、氧化、及氮化環境中均可提供可靠、統一之作業。

該石英隔離環4係容置於該感應耦合天線2中，用以隔離該感應耦合電漿6與該水冷式高壓射頻真空引入3、該感應耦合天線2、及該水冷式外加封閉磁場1，以形成高純度感應耦合電漿。

該頂件5係設於該水冷式外加封閉磁場1上並蓋住該容置空間13。如是，藉由上述揭露之結構構成一全新之高電漿密度離子源裝置。

上述感應耦合電漿6，本發明製作真空電引入可耐高電壓至5000伏特，電流可到5安培，並真空硬焊銅天線，以形成感應耦合電漿，此感應耦合電漿將裝置於射頻離子源中以產生高能離子束，增加電子束鍍膜之沉積能量及粒子反應性。

當運用時，本發明裝置簡單無多孔電極，電子密度可達10¹⁰cm^-3以上，應用本裝置於濺鍍系統及基板電漿前處理，可以產生高能離子束，增加鍍膜之沉積能量及粒子反應性。藉此，本發明相較傳統技術具有下列創新功能：

1.廣泛作業範圍：電壓從50~2500伏特及電流從50~1000毫安培。

2.在惰性、氧化及氮化環境中均可提供可靠之離子束。

3.採用水冷方式，適用於低功率至高功率作業。

4.裝置簡單、無多孔電極及中和器，適用於業界量產。。

5.無燈絲射頻感應耦合電漿，維護率低，可實現長時間穩定運行。

6.感應耦合電漿中可維持線圈周圍相當高之電漿密度。

7.感應耦合電漿加上石英隔離環提供一純淨離子束。

8.穩定而高效之電漿作業可保證精確控制及高度可重複性。

9.一水冷式外加封閉磁場可增加電漿密度。

綜上所述，本發明係一種高電漿密度離子源裝置，可有效改善習用之種種缺點，應用此裝置以產生高電漿密度進而增加鍍膜之沉積能量及粒子反應性，此低電壓高純度離子源可應用濺鍍半導體磊晶薄膜如氮化物磊晶，及基板電漿前處理，此高電漿密度可實現以類金屬性濺鍍氮化物/氧化物薄膜，其維護率低，可透過無燈絲作業實現長時間持續生產運作，進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。