TWM650971U - 中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源 - Google Patents
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Abstract
一種中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，其為結合中空陰極放電機制及變壓器耦合電漿機制。此變壓器耦合電漿源包含具有一環形通道之反應腔以及鐵氧體變壓器，其中中空陰極放電機制先在反應腔中分區域使得工作氣體高效率產生電漿，藉以使得變壓器耦合電漿機制得以容易形成環形電漿結構，藉此可在高氣壓及高氣體流量下產生高功率及高密度電漿。
Description
本創作是有關於一種電漿源，特別是有關於一種中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源。
電漿(Plasma)己廣泛應用於半導體製程及其他工業製造，其優勢為能將氣體的分子分解，產生中性自由基、離子、原子、電子和激發分子組成的高反應性混合物以提供製程所需的各種物理及化學反應。現有許多不同的機制產生電漿，其中一種是使用鐵氧體變壓器磁芯產生電感耦合電漿放電，其主要機制是如圖1(A)及圖1(B)所示，利用一個鐵氧體變壓器磁芯502在環形真空腔(Toroidal Vacuum Chamber)500內產生感應電場，從而使氣體放電。環形真空腔500之一端為氣體入口506，另一端為出口508。此種方式類似變壓器的原理，電源連接鐵氧體變壓器磁芯502的一次側線圈產生磁場，以磁芯中磁通量在環形真空腔500中感應電場以驅動電子漂移電流沿著環形真空腔500形成閉合路徑的流動，並且形成環形的電漿結構成為變壓器單圈的二次側，而達成極高的耦合效率。故此機制亦稱為變壓器耦合電漿(Transformer coupled plasma，TCP)。但環形真空腔500之結構必須要以陶瓷環形片504提供電性阻隔區，否則會對鐵氧體變壓器磁芯502造成短路而無法在環形真空腔500產生感應電場，而且電性阻隔區必須夠小，始能產生夠強的電場強度以激發及維持穏定電漿。然而鐵氧體變壓器磁芯502所產生的強電場在環形真空腔500之金屬結構影響下會集中在陶瓷環形片504所構成的電性阻隔區，有時會引發區域性放電造成陶瓷環形片504破裂而破壞電性阻隔，甚至反放電損害驅動電源，或是引起反應腔體保護鍍層脱落的問題。
Anderson在美國專利第3,500,118號及第3,987,334號中描述了這種方法。美國專利第4,180,763號則提出將鐵氧體磁芯TCP應用於照明應用。Reinberg等人在美國專利第4,431,898號提出在半導體製程中以電漿去除光阻的應用。
此項TCP技術己運用於解離氣體提供大量活化粒子的電漿源。在一些高氣壓高氣體流量的應用中，需要使用高功率密度電漿來進行工作氣體的化學活化或改變氣體的性質或成分，然後可以將這些化學活化的氣體送到真空處理系統。此類應用被稱為「遠程電漿處理」，包括：(1)遠程腔室清潔；(2)聚合物表面的遠程腔室灰化；(3)真空前級管路中的下游前級清潔和後處理氣體消減。這些應用中的許多應用涉及高流量(大於1 slm (standard liters per minute，每分鐘標準升))的電負性電漿放電氣體(如O
2、NF
3、SF
6)和相對高的氣體壓力(大於1 Torr)。因此，通常需要高功率密度以實現工作氣體的高解離及活化的要求。
在高氣壓高流量的操作條件下，與許多電感耦合電漿源設備一樣，TCP的感應電磁場的強度不足以點燃電漿放電，而必須藉由其他方式在真空反應腔中引入高強度電場來引發電漿放電，例如加裝高電壓裝置，或是在電性隔離的部分腔體上引入高交流電壓，透過真空窗(如，石英或陶瓷)產生局部射頻輝光放電。但高電壓放電裝置及真空窗的使用壽命，使得妥善率受到限制。但，即便如此，高電壓放電裝置仍不足以提供TCP在高氣壓高流量下的穩定的激發條件，因此有文獻提出在TCP驅動電源電路上加入共振電路以產生高電壓(1-10 kV)配合高電壓放電裝置以有效產生區域放電，藉以進而產生TCP所需之環狀電漿結構。但是環狀電漿產生後如果仍使用同樣的共振電壓，則會產生極大的電流造成功率元件損害。因此電路上必須加裝高壓繼電器(Relay)，使得電漿產生後電源電路迅速轉為非共振電路以降低電壓避免大電流的損害。然而，如果繼電器故障或是控制訊號延遲無法立即啓動繼電器，則無法保護功率元件，將致使功率元件損害。另一方面，使用高電壓極易引起真空腔體絶緣零組件的破壞造成電性短路，也會使腔體壁上的鍍層脫落流入製程腔體中而造成微粒污染。
另一方面，如已知技術顯示在圓柱形的放電結構中(如圖2所示)，在圓柱600上和另一金屬602上加上相對電壓，在適當的操作條件下可以產生中空陰極效應(hollow cathode effect)，使得快電子和離子的更有效利用，可以在相對低的電壓下產生高密度電漿，即中空陰極放電(hollow cathode discharge)。在此中空陰極放電效應中，快電子被靜電限制並且可以在相對的陰極表面之間振盪(即，形成俗稱之擺動電子，pendular electrons)，因此在陰極下降(cathode-fall)區域中獲得的大部分電子能量都將耗散在電漿中。此外，增加了入射到陰極表面以產生二次電子發射的電漿離子的比例。依據研究結果，圓柱形結構的放電特性顯示，當電壓小時，電流少，呈現低密度的擴散性輝光放電(diffuse glow)；電壓增加，電流增加，放電進入呈現異常光暈放電(abnormal glow discharge，AGD)；電壓再增加，此時將引起中空陰極放電效應，隨著電流的增加速度變大，電漿密度也會大幅提高，並在圓柱形結構形成大面積的電漿區域。中空陰極放電產生的電壓受圓柱形結構的尺寸及操作氣壓決定，通常為數百伏特(300-500 V)。
有鑑於上述習知技術的問題，本創作結合中空陰極放電機制及變壓器耦合電漿的機制組成複合式電漿源以進行氣體解離及化學活化。本創作之結構設計可以有效提升變壓器耦合電漿源產生高密度電感性電漿模式的穩定性。
本創作的目的即是針對上述現有TCP電漿技術的缺點加以改進。主要的技術在於整合數個中空陰極放電(hollow cathode discharge)結構及TCP變壓器耦合電漿的反應腔組成複合式電漿源。本創作利用中空陰極放電機制在反應腔中分區域有效的產生電漿後，使得TCP機制得以容易形成環形電漿結構，進行有效耦合高功率以產生高密度電漿。如此，一方面可去除必須使用高電壓點火裝置及共振操作的缺點，同時因中空陰極放電機制負責激發及維持初始電漿，可以解決TCP弱電場的缺點，並提高電漿穩定性。
為達前述目的，本創作提出一種中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，包含：一反應腔，具有一環形通道；以及至少一鐵氧體變壓器，包含纏繞有一第一線圈之一第一鐵氧體磁芯、纏繞有一第二線圈之一第二鐵氧體磁芯及一驅動功率源，其中該反應腔之該環形通道穿過該第一鐵氧體磁芯與該第二鐵氧體磁芯之間之一中空區域，該驅動功率源施加具有一第一電壓(V
1)之一交流電源於該第一線圈以產生一交變磁場於該第一鐵氧體磁芯上，其中，該第二線圈藉由感應該交變磁場而產生一第二電壓(V
2)，該第二電壓(V
2)被施加於該反應腔之至少一中空圓柱管上，用以經由一中空陰極放電機制將該環形通道中之一工作氣體激發成一電漿，其中，該反應腔之該環形通道係經由一變壓器耦合電漿機制感應該交變磁場而產生一感應電場，用以激發該電漿而在該反應腔之該環形通道中形成具有一閉合路徑之一電流，藉由進一步游離該工作氣體以提升該電漿之密度。
其中，該反應腔為一環形腔體，包含至少一中空腔體、該至少一中空圓柱管以及至少一阻隔結構，該阻隔結構係於該中空腔體與該至少一中空圓柱管之間形成至少一間隙以提供至少一電路斷路，該至少一中空圓柱管係選自於由雙開口金屬管體及單開口金屬管體所組成之族群。
其中，該反應腔為一環形腔體，包含複數個中空腔體、複數個中空圓柱管與複數個阻隔結構，該複數個阻隔結構係於該複數個中空腔體與該複數個中空圓柱管之間形成複數個間隙以提供複數個電路斷路。
其中，該複數個中空腔體為複數個金屬腔體，該複數個中空圓柱管為複數個雙開口金屬管體，該複數個雙開口金屬管體係經由該複數個阻隔結構連接該複數個金屬腔體，藉以組成該環形腔體。
其中，該複數個金屬腔體之數量為兩個，該複數個金屬腔體分別組成該環形腔體之頂側與底側，該複數個雙開口金屬管體之數量為兩個，該複數個雙開口金屬管體組成該環形腔體之兩側邊，該複數個雙開口金屬管體之兩端係經由該複數個阻隔結構連接該複數個金屬腔體。
其中，該複數個金屬腔體之數量為四個，該複數個金屬腔體分別組成該環形腔體之四個角落，該複數個雙開口金屬管體之數量為四個，該複數個雙開口金屬管體分別組成該環形腔體之四個側邊，該複數個雙開口金屬管體之兩端係經由該複數個阻隔結構連接相鄰之兩個該複數個金屬腔體。
其中，該複數個中空腔體為複數個金屬腔體、該複數個中空圓柱管為複數個雙開口金屬管體與複數個單開口金屬管體，該複數個雙開口金屬管體與該複數個單開口金屬管體係經由該複數個阻隔結構連接該複數個金屬腔體。
其中，該複數個金屬腔體之數量為兩個，該複數個金屬腔體分別組成該環形腔體之頂側與底側，該複數個雙開口金屬管體之數量為兩個，該複數個雙開口金屬管體組成該環形腔體之兩側邊，該複數個單開口金屬管體之數量為兩個，該複數個單開口金屬管體分別連接於該複數個金屬腔體上。
其中，該複數個中空腔體為複數個金屬腔體、該複數個中空圓柱管為複數個單開口金屬管體，該複數個單開口金屬管體係經由該複數個阻隔結構連接該複數個金屬腔體。
其中，該複數個金屬腔體之數量為兩個，該複數個金屬腔體分別組成該環形腔體之頂側與底側，該複數個單開口金屬管體之數量為兩個，該複數個單開口金屬管體分別連接於該複數個金屬腔體上。
其中，該第二線圈藉由感應該交變磁場而產生該第二電壓(V
2)，且該第二電壓(V
2)並聯式施加於該複數個中空圓柱管上，該第二電壓(V
2)之數值為該第一電壓(V
1)之數值乘以M/N，其中M為該第二線圈之圈數，N為該第一線圈之圈數。
其中，纏繞有該第一線圈之該第一鐵氧體磁芯係作為一變壓器結構之一一次側，該反應腔之該環形通道係作為該變壓器結構之一二次側，藉以利用該變壓器耦合電漿機制於該環形通道中產生該感應電場。
其中，更包含至少一控制器電性連接於該第二線圈與該中空圓柱管之間，用以控制供應該第二電壓至該反應腔之該中空圓柱管上。
其中，該反應腔更具有一氣體入口及一出口分別位於該反應腔之該環形通道之兩端。
其中，各該複數個阻隔結構包含一陶瓷環。
其中，各該複數個阻隔結構更包含一密封環。
其中，該反應腔為陽極化處理鋁製反應腔。
其中，該交流電源之輸出頻率之範圍從100kHz至500kHz。
其中，該交流電源為定功率或定電流，該交流電源之輸出電壓之範圍為從300伏特至500伏特。
其中，該工作氣體之氣壓為從0.5 Torr至10 Torr。
其中，該工作氣體之氣體流量為從10
-2slm至約10
2slm。
承上所述，依本創作之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，其可具有一或多個下述優點：
(1)本創作藉由結合中空陰極放電結構與變壓器耦合電漿結構，可在高氣壓及高氣體流量下產生高功率及高密度電漿。
(2)本創作藉由結合中空陰極放電結構與變壓器耦合電漿結構，可去除必須使用高電壓點火裝置及共振操作的缺點。
(3)本創作藉由結合中空陰極放電結構與變壓器耦合電漿結構，可解決TCP弱電場的缺點，並提高電漿穩定性。
(4)本創作藉由結合中空陰極放電結構與變壓器耦合電漿結構，所需的操作電壓小，可以大幅減少真空反應腔體的破壞，並延長使用壽命。
茲為使鈞審對本創作的技術特徵及所能達到的技術功效有更進一步的瞭解與認識，謹佐以較佳的實施例及配合詳細的說明如後。
為利瞭解本創作之技術特徵、內容與優點及其所能達成之功效，茲將本創作配合圖式，並以實施例之表達形式詳細說明如下，而其中所使用之圖式，其主旨僅為示意及輔助說明書之用，未必為本創作實施後之真實比例與精準配置，故不應就所附之圖式的比例與配置關係解讀、侷限本創作於實際實施上的權利範圍。此外，為使便於理解，下述實施例中的相同元件係以相同的符號標示來說明。
另外，在全篇說明書與申請專利範圍所使用的用詞，除有特別註明外，通常具有每個用詞使用在此領域中、在此揭露的內容中與特殊內容中的平常意義。某些用以描述本創作的用詞將於下或在此說明書的別處討論，以提供本領域技術人員在有關本創作的描述上額外的引導。
關於本文中如使用“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等，並非特別指稱次序或順位的意思，亦非用以限定本創作，其僅僅是為了區別以相同技術用語描述的組件或操作而已。
其次，在本文中如使用用詞“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等，其均為開放性的用語，即意指包含但不限於。
本創作提供了一種複合式電漿源，其為結合中空陰極放電(Hollow Cathode Discharge)機制及變壓器耦合電漿(Transformer Coupled Plasma，TCP)機制。圖3為本創作之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源之運作流程圖。如圖3所示，本創作之運作方法為進行中空陰極放電步驟(步驟S10)使得一工作氣體形成一電漿，以及進行變壓器耦合電漿步驟(步驟S20)有效耦合能量，使得此電漿放電產生電子漂移電流，並且更進一步有效游離工作氣體以產生高功率及高密度電漿。本創作利用中空陰極放電機制在反應腔中分區域使工作氣體有效地產生電漿後，使得TCP機制得以容易形成環形電漿結構，進行有效耦合高功率以產生高密度電漿，本創作可在高氣壓及高氣體流量(例如，大於1 Torr與10 slm)下產生高功率及高密度電漿。
請參閱圖4至圖8，圖4為本創作之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源之第一種實施範例之剖面示意圖。圖5本創作之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源之第二種實施範例之剖面示意圖。圖6本創作之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源之第三種實施範例之剖面示意圖。圖7本創作之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源之第四種實施範例之剖面示意圖。圖8為本創作之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源之系統運作示意圖。本創作所揭示之一種中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源100包含反應腔10以及至少一鐵氧體變壓器30。反應腔10為具有環形通道11之環形腔體，包含中空腔體14、中空圓柱管15與阻隔結構16。反應腔10具有氣體入口12及出口13分別位於反應腔10之環形通道11之兩端。工作氣體20係經由氣體入口12導入反應腔10之環形通道11中，且游離後之工作氣體(即，電漿22)係經由出口13導出至反應腔10之外側。上述之環形通道11及環形腔體之外形不限於圓圈形狀，亦可為正方形狀或矩形形狀等任何具有中間空心區域(簡稱，中空區域)之環繞形狀。此外，本創作之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源100之反應腔10係例如連接或整合至製程室(未繪示)，藉此可經由出口13供應電漿22至該製程室中。
本創作所使用之工作氣體20之種類並無限定，其可依據實際製程需求而定。舉例而言，工作氣體20可例如包括惰性氣體、反應氣體或其組合。本創作所揭示之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源100之特色在於藉由結合中空陰極放電機制及變壓器耦合電漿機制，無須加裝高電壓電極或引入高交流電壓以產生局部射頻輝光放電，就可解決傳統高氣壓高流量的操作條件下，TCP機制的感應電磁場的強度不足以點燃電漿放電的問題。由於本創作不需使用外部高電壓放電裝置產生局部射頻輝光放電，所以不會產生傳統TCP操作妥善率受到高電壓放電裝置及真空窗(如石英或陶瓷)使用壽命限制的問題。本創作所使用之工作氣體20之氣壓之範圍從約10
-3Torr至約10
3Torr，且可為上述氣壓範圍中之任意數值與範圍，例如從約0.5 Torr至約10 Torr，例如從約0.5 Torr 至約4 Torr，氣壓之數值可依據工作氣體不同或氣體流量而調整。工作氣體20之氣體流量之範圍從約10
-2slm 至約10
2slm，且可為上述氣體流量範圍中之任意數值與數值範圍，例如從約5 slm至約20 slm，氣體流量之數值可依據工作氣體不同或氣壓而調整。依據本創作之結構設計，工作氣體20之氣壓可高於1 Torr，氣體流量可高於10 slm，故可適用於涉及高流量(大於1 slm)的電負性電漿放電氣體(如O
2、NF
3、SF
6)和相對高的氣體壓力(大於1 Torr)，以實現工作氣體20的高解離及活化的要求。
本創作之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源100之鐵氧體變壓器30包含一對鐵氧體變壓器磁芯32、34以及驅動功率源36。第一鐵氧體磁芯32b連接第二鐵氧體磁芯34b且共同組成環狀鐵氧體磁芯，其中鐵氧體變壓器磁芯32包含纏繞有第一線圈32a之第一鐵氧體磁芯32b，鐵氧體變壓器磁芯34包含纏繞有第二線圈34a之第二鐵氧體磁芯34b。反應腔10之環形通道11穿過第一鐵氧體磁芯32b與第二鐵氧體磁芯34b之間之中空區域35。舉例而言，如圖4至圖7所示之實施態樣，反應腔10之環形通道11穿繞(即，穿越及環繞)環狀鐵氧體磁芯之中空區域35。鐵氧體變壓器30之驅動功率源36電性連接鐵氧體變壓器磁芯32之第一線圈32a，藉由直接施加具有第一電壓(V
1)之交流電源於第一線圈32a，產生交變磁場於第一鐵氧體磁芯32b上。
如圖4至圖7所示之實施態樣，本創作之反應腔10為由至少一中空腔體14、至少一中空圓柱管15與至少一阻隔結構16互相接通及組合而成之具有環形通道11之環形腔體。阻隔結構16係位於中空腔體14與中空圓柱管15之間，用以於中空腔體14與中空圓柱管15之間形成至少一間隙，藉此可提供至少一電路上之斷路(或稱，電路斷路)。為便於說明本創作之運作方式，本創作係以反應腔10包含複數個中空腔體14、複數個中空圓柱管15與複數個阻隔結構16作為說明範例，其中複數個阻隔結構16位於複數個中空腔體14與複數個中空圓柱管15之間以形成複數個間隙，藉以提供複數個電路斷路。反應腔10例如為陽極化處理鋁製反應腔，藉此可適用於高流量的腐蝕性活化粒子(如，NF
3、SF
6電漿)。阻隔結構16例如包含陶瓷環16a及密封環16b之組合結構，但不限於此，只要可於中空腔體14上形成電路斷路，且使得反應腔10保持真空密封，即屬於本創作請求保護之範圍。舉例而言，密封環16b可例如為O形環等彈性體以提供可拆卸式真空密封，或者例如藉由固定式接合以提供永久性真空密封。然而，只要反應腔10可保持真空密封，本創作亦可選擇性省略密封環16b。
在本創作中，反應腔10例如由複數段腔體(即上述之中空腔體14與中空圓柱管15)相接而成，中空腔體14與中空圓柱管15之材質可為相同或不相同，惟為便於說明，本創作係以材質相同之中空腔體14與中空圓柱管15作為說明範例。本創作例如將鋁製反應腔進行陽極化處理形成保護膜，藉以獲得陽極化處理鋁製反應腔。但是，本創作之反應腔10之材質不限於上述舉例，任何材質只要適於電漿22生成即屬於本創作請求保護之範圍。舉例而言，反應腔10可例如由導電材料組成，或由導電及介電質材料二者組成。適合的導電材料例如包含鋁、銅、鎳及鋼等金屬，或者是反應腔10之材質亦可為經塗佈之金屬，例如陽極化的鋁或鍍鎳的鋁。此外，若反應腔10由導電腔體及介電質材料腔體組接形成，則本創作亦可以此介電質材料腔體替代上述之阻隔結構16。
反應腔10之環形通道11穿過第一鐵氧體磁芯32b與第二鐵氧體磁芯34b之間之中空區域35。驅動功率源36直接施加具有第一電壓(V
1)之交流電源於鐵氧體變壓器30之第一線圈32a(即，以鐵氧體變壓器磁芯32作為一次側電路，或稱主要電路)，因此依據變壓器耦合電漿機制，反應腔10可作為鐵氧體變壓器30之二次側，意即一旦工作氣體離子化，則生成於環形通道11中之電漿22即作為鐵氧體變壓器30之次要電路，所以上述生成於第一鐵氧體磁芯32b上之交變磁場可用以在反應腔10之環形通道11中感應出環形電場。其中，若第一線圈32a的圈數為N，其中N例如為任意數值，則在反應腔10上的感應的電壓為驅動功率源36的1/N，而此電壓則將平均分配在反應腔10之各段腔體相接的間隙(即阻隔結構16所提供之電路斷路之位置)。以8個間隙為例，此電壓為驅動功率源36的電壓的1/8N。由於此間隙電壓較難直接將工作氣體20激發成電漿22，因此本創作改以中空陰極放電機制輔助激發電漿22。
續言之，請參閱圖8，同時請一併參閱圖3至圖7，由於驅動功率源36係輸入第一電流I
1以直接施加具有第一電壓(V
1)之交流電源於鐵氧體變壓器30之一次側線圈(即，第一線圈32a)，因此鐵氧體變壓器30之二次側線圈(即，第二線圈34a)可藉由感應交變磁場之磁通量F而產生第二電流I
2及第二電壓(V
2)。本創作之特色在於將第二電壓(V
2)施加於反應腔10上，例如將相同之第二電壓(V
2)施加在反應腔10之各段腔體上，藉以經由中空陰極放電機制，將環形通道11中之工作氣體20激發成電漿22。舉例而言，上述之第二電壓(V
2)係例如以並聯方式和複數個中空圓柱管15相接，使其例如為具有相同電壓，其中第二電壓(V
2)之數值為第一電壓(V
1)之數值乘以(M/N)，其中M為第二線圈34a之圈數，N為第一線圈32a之圈數，M與N例如為任意數值，其中
。採用適當的圈數比，此第二電壓V
2可例如超過約500伏特，進而經由中空陰極放電的物理機制在中空圓柱管15中激發穩定電漿。本創作之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源100可選擇性包含至少一控制器40，其係例如電性連接於第二線圈34a與中空圓柱管15之間，控制器40可依據實際需求選擇性產生對應之控制訊號(如，圖4至圖5所示之控制訊號C
1~C
4或圖6至圖7所示之控制訊號C
1~C
2)，用以控制將上述感應所得之第二電壓(V
2)供應至對應於複數個中空圓柱管15之反應腔10之複數個區域(例如區域A
1~A
4)上，藉以經由中空陰極放電機制，將環形通道11中之工作氣體20激發成電漿22。其中，由於本創作所屬技術領域中具有通常知識者依據本創作前述內容，應可明瞭如何供應第二電壓(V
2)至反應腔10上以及如何以控制器40控制供應第二電壓(V
2)至反應腔10上，進而執行中空陰極放電機制，故此處不另贅述。
本創作之特色在於可經由變壓器耦合電漿機制感應上述之交變磁場而在反應腔10之環形通道11產生感應電場，用以激發經由中空陰極放電機制所產生之電漿22，而在反應腔10之環形通道11中形成具有閉合路徑之電流(電子漂移電流)，並且更進一步游離工作氣體20以提升電漿22之密度。簡言之，本創作利用中空陰極放電機制在反應腔10中分區域有效地產生電漿22，使得變壓器耦合電漿機制得以容易形成環形電漿結構，進行有效耦合高功率以產生高密度電漿。
在本創作所示例之圖4至圖7中，反應腔10之複數個中空圓柱管15係例如為選自於由雙開口金屬管體18及單開口金屬管體19所組成之族群，亦即中空圓柱管15可選擇性為雙開口金屬管體18、單開口金屬管體19或者是雙開口金屬管體18及單開口金屬管體19。惟，任何外型、材質或尺寸之中空圓柱管15，只要可供進行變壓器耦合電漿機制，即屬於本創作請求保護之範圍。上述之雙開口金屬管體係指金屬管體為中空管且其兩相對側皆為具有開口之開口端。上述之單開口金屬管體係指金屬管體為中空管且其兩相對側之一者為具有開口之開口端，兩相對側之另一者為閉合端。
以圖4所示之第一實施態樣為例，複數個中空腔體14為四個金屬腔體17，複數個中空圓柱管15為四個雙開口金屬管體18，複數個阻隔結構16之數量為八個，其可構成八個間隙。其中，四個金屬腔體17分別組成環形腔體之四個角落，且其外型例如為如圖4所示。四個雙開口金屬管體18分別組成環形腔體之四個側邊，至於八個阻隔結構16則分別位於相鄰之金屬腔體17與雙開口金屬管體18之間，藉以共同組成具有環形通道11之環形腔體。
在圖5所示之第二實施範例中，複數個中空腔體14為兩個金屬腔體17，複數個中空圓柱管15為兩個雙開口金屬管體18及兩個單開口金屬管體19，複數個阻隔結構16之數量為六個，其可於完整迴路上構成四個間隙。其中，兩個金屬腔體17分別組成環形腔體之頂側與底側，且其外型例如為如圖5所示，兩個雙開口金屬管體18組成環形腔體之兩側邊，兩個單開口金屬管體19分別位於兩個金屬腔體17之側邊，至於六個阻隔結構16則分別位於相鄰之金屬腔體17與雙開口金屬管體18之間以及位於金屬腔體17與單開口金屬管體19之間，藉以共同組成具有環形通道11之環形腔體。若第一線圈32a的圈數為N，則在反應腔10上的感應的電壓為驅動功率源36的1/N，而此電壓則將平均分配在各段腔體相接的間隙(即，阻隔結構16的位置)，以4個間隙為例，則此電壓為驅動功率源36的電壓的1/4N。
以圖6所示之第三實施態樣為例，複數個中空腔體14為兩個金屬腔體17，複數個中空圓柱管15為兩個雙開口金屬管體18，複數個阻隔結構16之數量為四個，意即包含四組陶瓷環16a及密封環16b之組合結構，其可構成四個間隙。其中，兩個金屬腔體17分別組成環形腔體之頂側與底側，且其外型例如為如圖6所示，兩個雙開口金屬管體18分別組成環形腔體之兩側邊，至於四個阻隔結構16則分別位於相鄰之金屬腔體17與雙開口金屬管體18之間，藉以共同組成具有環形通道11之環形腔體。
在圖7所示之第四實施範例中，複數個中空腔體14為兩個金屬腔體17，複數個中空圓柱管15為複數個單開口金屬管體19，例如兩個單開口金屬管體19，複數個阻隔結構16之數量為四個，其可於完整迴路上構成兩個間隙。兩個金屬腔體17分別組成環形腔體之四周，且其外型例如為如圖7所示，兩個單開口金屬管體19分別位於兩個金屬腔體17之側邊，其中兩個阻隔結構16分別位於金屬腔體17與單開口金屬管體19之間，另兩個阻隔結構16則分別位於金屬腔體17上，藉以共同組成具有環形通道11之環形腔體。其中，複數個單開口金屬管體19雖以兩個金屬管體作為範例，惟單開口金屬管體19之數量亦可依據實際需求而選擇性為大於兩個，例如四個或以上。
簡言之，本創作之變壓器耦合電漿技術可使得電漿22形成環形結構，所以能夠非常有效的把能量傳入電漿22，藉此反應腔10中的環形結構電漿可構成變壓器耦合的二次側，進行電感式能量反應。本創作之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源係利用中空陰極放電機制於反應腔10中產生的電場在高氣壓及高氣體流量(氣壓＞ 1 Torr，氣體流量＞ 1 slm)下激發穩定電漿22提供充分的自由電子，並經由鐵氧體變壓器30所感應生成的電場驅動及加速，在反應腔10內形成閉合路徑的電子漂移電流，藉以更進一步有效游離氣體產生高密度電漿。由於變壓器耦合的技術雖然能非常有效地把能量傳入電漿22，但與許多電感耦合電漿設備一樣，感應電場的強度(10 V/cm)不足以擊穿工作氣體20，形成環形電漿結構。尤其在高氣壓高氣體流量下，雖然使用高電壓裝置(大於1kV)在反應腔10(即，真空腔)中産生初始放電也能達到點燃電漿22的目標，但是高電壓放電裝置的使用壽命及妥善率受到限制，且極易引起反應腔10之真空反應腔體的破壞。尤其，變壓器耦合電漿是屬於低電場強度的機制，當氣壓或氣流有擾動時，例如在製程轉化工作氣體流量時，極易造成電漿不穩現象而破壞環形電漿結構，進而導致電漿熄滅的情況發生。因此，本創作利用反應腔10之結構分段結合中空陰極電漿機制，使得環形電漿結構容易形成，同時也提高環形電漿結構在氣壓或氣流有擾動時的穩定性。相對於傳統技術，本創作所需的操作電壓小，可以大幅減少真空反應腔體的破壞，增加反應腔10之使用壽命。
此外，本創作之驅動TCP電漿的電源(即，驅動功率源36)例如由交流電源與變壓器組成。以驅動功率源36為交流電源舉例，其所採用之交流電源頻率係以適合於驅動電漿、功率元件的耐電壓及耐電流及鐵氧體變壓器磁芯32、34損耗做適當的選擇，其範圍例如從約100 kHz至約500 kHz。交流電源可為定功率或定電流操作。輸出電壓之範圍例如從約300伏特至約500伏特，或者可例如為數百伏特中之任意數值或任意範圍(例如從約300伏特至約350伏特)。在傳統技術中，交流電源的負載阻抗在電漿激發的過程中，從低密度電漿到穩定高密度電漿有極大的變化，對於功率元件造成很大的挑戰。然而，由於在本創作中因為初期中空陰極放電的強電場及效率高可以激發一定密度的電漿，故能大幅減少負載阻抗的動態變化，降低功率元件發生問題的機率。同時也不需要如傳統技術採用共振電路與非共振電路交互操作的方式，故本創作可降低電路的複雜性以提高穩定度及妥善率。
綜上所述，本創作之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源及，其可具有一或多個下述優點：
(1)本創作藉由結合中空陰極放電結構與變壓器耦合電漿結構，可在高氣壓及高氣體流量下產生高功率及高密度電漿。
(2)本創作藉由結合中空陰極放電結構與變壓器耦合電漿結構，可去除必須使用高電壓點火裝置及共振操作的缺點。
(3)本創作藉由結合中空陰極放電結構與變壓器耦合電漿結構，可解決TCP弱電場的缺點，並提高電漿穩定性。
(4)本創作藉由結合中空陰極放電結構與變壓器耦合電漿結構，所需的操作電壓小，可以大幅減少真空反應腔體的破壞，並延長使用壽命。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本創作之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
10:反應腔
11:環形通道
12:氣體入口
13:出口
14:中空腔體
15:中空圓柱管
16:阻隔結構
16a:陶瓷環
16b:密封環
17:金屬腔體
18:雙開口金屬管體
19:單開口金屬管體
20:工作氣體
22:電漿
30:鐵氧體變壓器
32、34:鐵氧體變壓器磁芯
32a:第一線圈
32b:第一鐵氧體磁芯
34a:第二線圈
34b:第二鐵氧體磁芯
35:中空區域
36:驅動功率源
40:控制器
100:中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源
500:環形真空腔
502:鐵氧體變壓器磁芯
504:陶瓷環形片
506:氣體入口
508:出口
600:圓柱
602:金屬
A
1~A
4:區域
C
1~C
4:控制訊號
F:磁通量
M、N:圈數
V
1:第一電壓
V
2:第二電壓
I
1:第一電流
I
2:第二電流
S10、S20:步驟
圖1為習知技術之環形低電場電漿源之環形真空腔之示意圖，其中圖1(A)為立體示意圖，圖1(B)為剖面示意圖。
圖2為習知技術之圓柱形放電結構之剖面示意圖。
圖3為本創作之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源之運作流程圖。
圖4為本創作之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源之第一種實施範例之剖面示意圖。
圖5為本創作之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源之第二種實施範例之剖面示意圖。
圖6為本創作之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源之第三種實施範例之剖面示意圖。
圖7為本創作之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源之第四種實施範例之剖面示意圖。
圖8為本創作之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源之系統運作示意圖。
10:反應腔
32:鐵氧體變壓器磁芯
32a:第一線圈
32b:第一鐵氧體磁芯
34:鐵氧體變壓器磁芯
34a:第二線圈
34b:第二鐵氧體磁芯
36:驅動功率源
40:控制器
100:中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源
A1~A4:區域
C1~C4:控制訊號
M、N:圈數
V1:第一電壓
V2:第二電壓
F:磁通量
I1:第一電流
I2:第二電流
Claims (21)
- 一種中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，包含： 一反應腔，具有一環形通道；以及 至少一鐵氧體變壓器，包含纏繞有一第一線圈之一第一鐵氧體磁芯、纏繞有一第二線圈之一第二鐵氧體磁芯及一驅動功率源，其中該反應腔之該環形通道穿過該第一鐵氧體磁芯與該第二鐵氧體磁芯之間之一中空區域， 其中，該驅動功率源施加具有一第一電壓之一交流電源於該第一線圈以產生一交變磁場於該第一鐵氧體磁芯上， 其中，該第二線圈藉由感應該交變磁場而產生一第二電壓，該第二電壓被施加於該反應腔之至少一中空圓柱管上，用以經由一中空陰極放電機制將該環形通道中之一工作氣體激發成一電漿， 其中，該反應腔之該環形通道係經由一變壓器耦合電漿機制感應該交變磁場而產生一感應電場，用以激發該電漿而在該反應腔之該環形通道中形成具有一閉合路徑之一電流，藉由進一步游離該工作氣體以提升該電漿之密度。
- 如請求項1所述之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，其中該反應腔為一環形腔體，包含至少一中空腔體、該至少一中空圓柱管以及至少一阻隔結構，該阻隔結構係於該中空腔體與該至少一中空圓柱管之間形成至少一間隙以提供至少一電路斷路，該至少一中空圓柱管係選自於由雙開口金屬管體及單開口金屬管體所組成之族群。
- 如請求項1所述之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，其中該反應腔為一環形腔體，包含複數個中空腔體、複數個中空圓柱管與複數個阻隔結構，該複數個阻隔結構係於該複數個中空腔體與該複數個中空圓柱管之間形成複數個間隙以提供複數個電路斷路。
- 如請求項3所述之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，其中該複數個中空腔體為複數個金屬腔體，該複數個中空圓柱管為複數個雙開口金屬管體，該複數個雙開口金屬管體係經由該複數個阻隔結構連接該複數個金屬腔體，藉以組成該環形腔體。
- 如請求項4所述之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，其中該複數個金屬腔體之數量為兩個，該複數個金屬腔體分別組成該環形腔體之頂側與底側，該複數個雙開口金屬管體之數量為兩個，該複數個雙開口金屬管體組成該環形腔體之兩側邊，該複數個雙開口金屬管體之兩端係經由該複數個阻隔結構連接該複數個金屬腔體。
- 如請求項4所述之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，其中該複數個金屬腔體之數量為四個，該複數個金屬腔體分別組成該環形腔體之四個角落，該複數個雙開口金屬管體之數量為四個，該複數個雙開口金屬管體分別組成該環形腔體之四個側邊，該複數個雙開口金屬管體之兩端係經由該複數個阻隔結構連接相鄰之兩個該複數個金屬腔體。
- 如請求項3所述之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，其中該複數個中空腔體為複數個金屬腔體、該複數個中空圓柱管為複數個雙開口金屬管體與複數個單開口金屬管體，該複數個雙開口金屬管體與該複數個單開口金屬管體係經由該複數個阻隔結構連接該複數個金屬腔體。
- 如請求項7所述之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，其中該複數個金屬腔體之數量為兩個，該複數個金屬腔體分別組成該環形腔體之頂側與底側，該複數個雙開口金屬管體之數量為兩個，該複數個雙開口金屬管體組成該環形腔體之兩側邊，該複數個單開口金屬管體之數量為兩個，該複數個單開口金屬管體分別連接於該複數個金屬腔體上。
- 如請求項3所述之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，其中該複數個中空腔體為複數個金屬腔體、該複數個中空圓柱管為複數個單開口金屬管體，該複數個單開口金屬管體係經由該複數個阻隔結構連接該複數個金屬腔體。
- 如請求項9所述之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，其中該複數個金屬腔體之數量為兩個，該複數個金屬腔體分別組成該環形腔體之頂側與底側，該複數個單開口金屬管體之數量為兩個，該複數個單開口金屬管體分別連接於該複數個金屬腔體上。
- 如請求項3所述之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，其中該第二線圈藉由感應該交變磁場而產生該第二電壓，且該第二電壓並聯式施加於該複數個中空圓柱管上，該第二電壓之數值為該第一電壓之數值乘以M/N，其中M為該第二線圈之圈數，N為該第一線圈之圈數。
- 如請求項1所述之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，其中纏繞有該第一線圈之該第一鐵氧體磁芯係作為一變壓器結構之一一次側，該反應腔之該環形通道係作為該變壓器結構之一二次側，藉以利用該變壓器耦合電漿機制於該環形通道中產生該感應電場。
- 如請求項1所述之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，更包含至少一控制器電性連接於該第二線圈與該中空圓柱管之間，用以控制供應該第二電壓至該反應腔之該中空圓柱管上。
- 如請求項1所述之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，其中該反應腔更具有一氣體入口及一出口分別位於該反應腔之該環形通道之兩端。
- 如請求項3所述之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，其中各該複數個阻隔結構包含一陶瓷環。
- 如請求項15所述之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，其中各該複數個阻隔結構更包含一密封環。
- 如請求項1所述之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，其中該反應腔為陽極化處理鋁製反應腔。
- 如請求項1所述之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，其中該交流電源之輸出頻率之範圍從100kHz至500kHz。
- 如請求項1所述之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，其中該交流電源為定功率或定電流，該交流電源之輸出電壓之範圍為從300伏特至500伏特。
- 如請求項1所述之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，其中該工作氣體之氣壓介於0.5 Torr至10 Torr。
- 如請求項1所述之中空陰極放電輔助之變壓器耦合電漿源，其中該工作氣體之氣體流量為從10 -2slm至約10 2slm。
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2023
- 2023-05-10 CN CN202310517615.0A patent/CN118629853A/zh active Pending
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| Publication number | Publication date |
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| CN118629853A (zh) | 2024-09-10 |
| CN219759522U (zh) | 2023-09-26 |
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