專利名稱：高頻等離子體源的制作方法
技術領域：
本發明涉及一個用于有效激勵低壓氣體放電(等離子體)的裝置。所述的裝置提供一種從高密度低壓等離子體中提取的，高度離子化和電荷補償的等離子體束。可以很好控制和調節等離子體束的性能(譬如離子能量、離子流密度、離子束的成份)。另可選擇地，結合用于選擇性提取電子或離子的系統可以提取一種負或正的粒子流。
等離子體系統對于高技術領域中的固體材料的制備和加工具有極大的重要性。特別的關注在于生成準中性的等離子體束的等離子體反應器。以下也稱為等離子體源的等離子體反應器可用在等離子體加工的極其不同的應用領域。薄層的沉積和生長、霧化、刻蝕、清洗等等都屬于此范圍。等離子體束以相等的份額由正電荷的離子和(負電荷的)電子組成，并因此是電中性的。等離子體束的準中性允許電絕緣材料的涂層和表面處理，而不需要用于等離子體束中性化的附加構造。
當前的應用常常要求高份額的具有精確可調節離子能量的離子，以便保證形成所希望的化學鍵。因此為了從類似金剛石的碳(diamond-like carbon，DLC)或立方體的氮化硼中沉積出硬的層，需要具有約100eV離子能量的高度離子化的等離子體束，以便使sp3鍵的份額最大化。為了超越晶核形成閾，也同樣象為了保證封閉而連續的層那樣，需要一種涉及高能的沉積過程。對盡可能高的離子份額的要求意味著，在低壓時，典型地在10-3mbar下生成等離子體。這又要求等離子體的磁場支持的激勵，以便避免通過在等離子體容器的壁上的再組合所造成的損失。等離子體的有效激勵是高等離子體密度和高沉積速率、或刻蝕速率的基本前提，以便因此能夠保證短而費用有利的加工時間。為了保證具有高效率的經濟的加工，等離子體源能夠加工盡可能大的襯底面積的能力是很重要的。
現在存在一些用于等離子體輔助處理固體表面的各種各樣的系統。這些系統的一部分基于將高頻電的交變場用于生成等離子體。這些系統中的大多數具有陰極板和陽極板，其中，容性地經陰極將高頻功率饋入等離子體。在電極之間形成一個其大小依賴于電極面積和所施加高頻幅度的偏壓。為了使離子轟擊最大化，將襯底放在陰極上。容性耦合高頻系統的缺點是由于高頻功率被低效地輸入等離子體中而產生的很微小的等離子體密度。在10-3mbar范圍中的典型過程壓力下，入射到襯底上的粒子流僅僅含有約5％的高能粒子。這不滿足要求高能離子占優勢的處理的許多實際應用。常規高頻等離子體源的另一個缺點是寬廣的離子能量分布。這些系統外加有比較微小的生長速率，其中，功率數據也還很強烈地依賴于環境條件。
U.S.專利5,017,835說明了一種用于生成大面積離子束的高頻離子源，其中，感應地將高頻能量輸入等離子體。在夾在一個載體板和一個封閉板之間的管形等離子體容器中，這種源利用了等離子體的電子-回旋加速器-波諧振激勵。可調諧的中間電路將高頻發生器與負載電路線圈相連接。給等離子體疊加一個弱的直流磁場。用于離子提取的由多個電極組成的離子光學系統布置在載體板中。
U.S.專利5,156,703說明了一種用于表面剝蝕和結構化、用于制作表面摻雜、和用于通過來自等離子體的粒子轟擊生成表面層的方法。從通過電場和磁場生成的低壓等離子體中如下來提取準中性的等離子體束，即施加高頻電壓到提取電極和其它的電極上，低壓等離子體位于該提取電極和其它的電極之間。在等離子體和提取電極之間下降的高頻電壓的幅度決定所提取離子的能量。
M.Weiler及其他人已在應用物理文獻Applied Physics Letters卷64(1994)，2797-2799頁，和在物理評論Physical Review B，卷53(1996)，1594-1608頁中，說明了借助生成高頻(13.56MHz)的、容性耦合的、磁場輔助的等離子體放電的等離子體源來沉積非晶形四面體結合的碳。這種源由一個大的可移動高頻饋電的電極，以及一個連接到地電位上的較小的電源電極組成。給所述的等離子體疊加一個靜態的雙曲線磁場。在電極、等離子體和接地的電源之間形成正的偏壓。可以垂直移動所述的電極。此時，它的有效面積和所形成的偏壓同樣在變化。因此可以經這種改變來調節離子的能量，而不改變氣體壓力或饋入的功率。在這種源上的革新在于，不是通過將電壓施加到襯底上，而是通過內部的偏壓可控制或調節離子的能量。象在所有容性耦合的等離子體源上那樣，甚至在這種系統中在10-3mar壓力下的等離子體密度是很微小的。
由M.Weiler及其他人已在應用物理文獻Applied PhysicsLetters卷72(1998)，1314-1316頁中說明了所述等離子體源的一種改進形式。通過具有橫向疊加的靜態磁場的，高頻(13.56MHz)的，感應耦合的等離子體放電來生成等離子體束。通過施加高頻幅度到位于等離子體后面的電極上可以變化離子能量。
U.S.專利5,858,477包括用于通過沉積非晶形四面體結合的碳而在存儲器介質上制備防磨損層的方法和裝置。這些系統中的一個說明了一種等離子體源，其中，由天線包圍等離子體體積，并因此通過高頻感應來激勵等離子體，布置了一個朝向等離子體體積的耦合電極和一個通過容性耦合從等離子體提取離子束的，在等離子體體積的開口之上的提取電極。為了等離子體束的均勻化，圍繞等離子體體積布置了用于生成旋轉的橫向磁場的線圈。
常規等離子體源的一個問題是不能彼此獨立地調節離子能量和離子流密度。常規高頻源的一個其它問題在于需要一個分離的高頻阻抗匹配網絡。高頻匹配網絡在此將高頻發生器的功率經電纜饋入激勵電極，由此產生可觀的功率損失。除此之外，在通常的等離子體源中不能彼此獨立地調節高頻匹配網絡中的高頻電壓的幅度以及高頻電流的幅度。因此不能以最佳的方式利用象電子-回旋加速器-波諧振或Landau衰減那樣的諧振效應。
本發明基于的任務是提高等離子體源的多樣性、功能性和效率，即可以彼此獨立地控制離子能量和離子流密度，同時提供高的等離子體密度以及高的分解度或電離度，并減少功率損失。
按本發明可用于生成準中性的等離子體束或離子束的高頻等離子體源由一個載體元件組成，在該載體元件上布置了用于生成橫向磁場的磁場線圈裝置、用于將工作氣體充入等離子體體積中的氣體分配系統、和用于提取等離子體束的單元，其中，用于將發生器功率饋入等離子體的高頻匹配網絡附加地位于等離子體源的內部，該高頻匹配網絡通常由具有任意可變電容器和高頻空心線圈的一次開關電路，以及由具有電容器、高頻空心線圈、和至少一個激勵電極的二次開關電路組成，其中，兩個開關電路經高頻空心線圈的感應磁通和外加容性地彼此耦合。
在本發明的等離子體源上可以彼此獨立地調節離子能量、離子流密度、分解度和電離度。所述的源將高頻(典型地13.56或27.12MHz)用于激勵氣體放電。此時，在磁場輔助的等離子體中主要經感應和利用電子-回旋加速器-波諧振或Landau衰減的機理將高頻功率饋入到等離子體中。
此外用于減少功率損失的高頻匹配網絡是等離子體源的集成性的組成部分，即它布置在源的內部，使得不再需要外加的匹配網絡。它允許經較大的范圍并獨立于離子流密度來調節離子能量。在二次電路中采用可變電容器時這可以連續地實現。如此來設計高頻匹配網絡，使得保障了高頻電流幅度和高頻電壓幅度的獨立的控制和可調節性。這實現了對于激勵機理(ECWR或Landau)所必要的條件的精確選擇，以便可以分別以高的效率來激勵等離子體。本發明的等離子體源生成直至1013cm3的很高的等離子體密度，提供直至50％的很高的電離度，和具有在雙原子的分子，譬如象氧氣、氮氣、或氫氣的情況下可直至80％的很高的分解度。此外，存在著獨立于離子流密度并在10至約1000eV的范圍可連續調節離子能量的可能性。本發明的等離子體源因此生成一個離子能量、離子流密度和等離子體束成份等具有良好規定特性的高度離子化電荷補償的等離子體束。附加保證了等離子體束的、也象粒子游離那樣的均勻性。因此保證了等離子體源的長時穩定性和因而處理的可掌握性，以及甚至在維護期之間的很長的壽命。
在CCR責任有限公司的具有專利局文件號100 08 485.0的德國專利申請″高頻匹配網絡″中詳細說明了這種類型的匹配網絡。
既可以在真空之內，也可以在真空之外布置用于聯合的感應以及容性的等離子體激勵的激勵電極。它應在形狀、大小和布置方面與所希望的等離子體束的幾何形狀相匹配。也可以采用優先以10和100mm之間的間距彼此并列布置在真空中的多個激勵電極。通常在此情況下經一個自己的匹配網絡和一個分離的匹配網絡對每個電極饋電。因此存在著在各個等離子體體積中生成不同等離子體的，以及在很大程度上彼此獨立地控制和調節這些等離子體的射束性能的可能性。
僅采用其繞組匝數n≤1的激勵電極。由此使激勵電極的電感，并因而使在激勵電極和地之間經等離子體下降的高頻幅度最小化。因此主要感應地實現通往等離子體中的功率輸入。然后經匹配網絡的本發明的電路連接進行可連續接入的電容功率輸入。
通常由管材或金屬絲材料制作激勵電極。如果現在應借助通往等離子體的容性耦合-即通過一個在激勵電極和地之間施加在等離子體上的附加的高頻幅度-來提高離子能量，則最大可達到的離子能量則仍然是相當小的。通過由管材或金屬絲材料制作的激勵電極不能達到更高的離子能量。等離子體體積的邊緣面積通常由接地面積，并也由輸送高頻的面積組成。輸送高頻的面積對接地面積之比越大，最大可達到的離子能量則越高。因此罩殼狀或帶狀地實施激勵電極，以便由輸送高頻的面積代替盡可能多的接地面積。此時，罩殼的高度最多相當于等離子體體積的長度。所述的電極可以具有板的形狀或不封閉罩殼的形狀，其中，這種罩殼在截面上優選是環形、扇形、正方形、或矩形的。
通過高頻把功率饋入等離子體。為了提高功率饋入的效率，通常給等離子體，也給激勵電極疊加一個用于諧振激勵的橫向磁場。通過圍繞等離子體體積布置的磁場線圈可以生成所述的磁場。這些磁場線圈既可以布置在真空之外，也可以布置在真空之內，并與等離子體體積的幾何形狀相匹配。如果用直流電運行線圈，則磁場是靜態的。在用交流電運行時可以通過時間上錯開控制并列的線圈，或通過相移的電流達到磁場圍繞等離子體源的縱向軸的旋轉。所述的磁場則是動態的。
經磁場的變換可以選擇性地經過駐波的生成，或通過滿足Landau衰減的諧振條件來進行等離子體的諧振激勵。經等離子體空間中的磁場強度的變化，等離子體的折射率n可以經越較大的范圍，通常在50和500之間變化。為了滿足Landau諧振條件，電磁波的相速度CPL必須與等離子體電子的平均速度Ve一致。通過折射率決定相速度，而經電子溫度Te決定電子的平均速度。必須適用CPL＝Cv/n＝(KTe/me)1/2。
靜態的橫向場經越等離子體體積是不均勻的。從中得出在等離子體體積中的局部不同的激勵效率，并產生局部不同的等離子體密度。所提取的等離子體束因而也是不均勻的。最后譬如導至具有高的層厚波動的涂層。因此在襯底上反映出橫向磁場的不均勻性。通過采用動態的磁場可以優化激勵的不均勻性。然后布置至少三個圍繞離子體體積的磁場線圈來代替兩個磁場線圈(靜態)。可以將交流電(f＜100Hz)用于線圈的驅動，也就是如下地，使得兩個并列線圈中的電流相互是相移的。因此達到磁場圍繞等離子體源縱向軸的旋轉。磁場的這種旋轉經一個旋轉周期積分地或累加地導至等離子體的均勻激勵。附加地進行等離子體的改善均勻性的混勻。
如果在最內部的線圈層之上如下布置一個第二層，即將來自第二層的一個線圈中心定位在來自最內部層的一個線圈副的末端上，則達到附加改善所提取等離子體束的均勻性。
以理想的方式在高頻等離子體源中在空間和幾何形狀上彼此協調磁場線圈、激勵電極和氣體充入系統。
為了從等離子體中提取帶電粒子(通常為離子和/或電子)，也稱為提取系統的用于提取等離子體束的單元可以布置在等離子體體積的開口上。在最簡單的情況下可以采用一種光圈，即具有一個開口的平板，使得保證了等離子體的流出。一種變型在于采用位于地電位上的格柵、網絡或金屬網格。因此從等離子體電位和地電位的差值中得出從源中流出離子的能量。通過施加在激勵電極上的電交變場的高頻幅度可以變化等離子體的電位。因此可以通過高頻電壓幅度來變化離子的動能。
以下示范性地借助


本發明圖1 展示了等離子體源的示意性構造，圖2a-j 展示了激勵電極的可能的形狀和布置，圖3a-c 展示了通過激勵電極的截面圖，圖4a-n 展示了磁場線圈的可能的形狀和布置，圖5 展示了作為用于表示Landau衰減諧振的磁場強度的函數的離子流密度，圖6a，b展示了等離子體束提取系統的不同的布置。
附圖1中示出了等離子體源的原理性構造。等離子體源由不同的主要組件組成。它由一個載體元件(1)組成，在該載體元件(1)上布置了一個用于生成橫向磁場的多個磁場線圈(4)的裝置、一個用于提取等離子體束(5)的單元、和一個氣體分配系統(6)。此外，一個用于與生成等離子體的所屬激勵電極(3)的阻抗相匹配的高頻匹配網絡(2)位于同樣與載體元件(1)相連接的等離子體源內部。激勵電極(3)布置在真空中，并經真空流通孔(9)與匹配網絡的主要部分相連接。工作氣體經氣體分配系統(6)穿過等離子體源充入等離子體體積中。在組裝的狀態下和在協調所有組件之后，等離子體源是一個可以法蘭連接到真空容器(7)的殼體壁上的緊湊單元。需要一個頻率位于13.56MHz上的高頻發生器(8)用于功率饋入。如此進行磁場線圈(4)的控制，使得生成旋轉的磁場。
附圖2中示出了激勵電極的不同形狀和布置。激勵電極的形狀和大小與所希望的等離子體束的截面相匹配。扇形的激勵電極(附圖2a)生成圓的射束型面，正方形的激勵電極(附圖2b)生成正方形的射束型面。矩形的(附圖2c)以及實施為帶(附圖2d)的激勵電極生成線狀的射束型面。以多種多樣的方式，僅以10至100mm的微小間距可以彼此并列定位示范性表示的激勵電極(附圖2e-j)。
附圖3a展示了5mm寬和50mm高的罩殼形激勵電極的剖面圖。附圖3b展示了激勵電極的一個變型，其中，一個管道(10)與它相連接。附圖3c展示了激勵電極的一個其它的變型，其中，此激勵電極本身配備了一個空腔(12)。為了冷卻可以用液體介質，優選用水沖洗管道(11)的內部或空腔(12)。
附圖4展示了用于生成橫向場的磁場線圈的可能的形狀和布置。
附圖5以作為磁場線圈電流的函數的離子流密度示圖而展示了所述源的諧振特性。
附圖6展示了提取系統的不同的方案。在最簡單的情況下可以采用具有開口(13)的平板(附圖6a)。附圖6b展示了一種位于地電位上的金屬網格(14)。
參考符號表1 載體元件2 高頻匹配網絡3 激勵電極4 磁場線圈裝置5 用于提取等離子體束的單元6 氣體分配系統7 真空容器的殼體壁8 高頻發生器9 真空流通孔10 管道11 管道內部12 激勵電極的空腔13 孔眼光圈14 格柵、網絡或金屬網格
權利要求
1.高頻等離子體源，具有一個載體元件(1)，在該載體元件(1)上布置了-一個磁場線圈裝置(4)，-一個氣體分配系統(6)，和-一個用于提取等離子體束(5)的單元，其特征在于，另外還有一個高頻匹配網絡(2)位于離子體源的內部。
2.按權利要求1的高頻等離子體源，其特征在于，所述的高頻匹配網絡(2)由一個具有一個任意和可變的電容器和一個高頻空心線圈的一次開關電路，以及一個具有一個電容器、一個高頻空心線圈和至少一個激勵電極的二次開關電路組成，其中所述開關電路經高頻空心線圈的感應磁通彼此進行耦合，且另外還容性地耦合。
3.按權利要求1或2的高頻等離子體源，其特征在于，可以在容性的和感應的等離子體耦合之間作出選擇。
4.按權利要求1至3之一的高頻等離子體源，其特征在于，可以連續地在容性的和感應的等離子體耦合之間作出選擇。
5.按權利要求1至4之一的高頻等離子體源，其特征在于，至少一個激勵電極(3)布置在真空中。
6.按權利要求1至5之一的高頻等離子體源，其特征在于，所述激勵電極(3)的形狀、大小和布置與所希望等離子體束的幾何形狀相匹配。
7.按權利要求1至6之一的高頻等離子體源，其特征在于，所述的激勵電極(3)具有板的形狀。
8.按權利要求1至7之一的高頻等離子體源，其特征在于，所述的激勵電極(3)具有未封閉的罩殼的形狀。
9.按權利要求8的高頻等離子體源，其特征在于，所述的未封閉的罩殼在截面上是環形的。
10.按權利要求8的高頻等離子體源，其特征在于，所述的未封閉的罩殼在截面上是扇形的。
11.按權利要求8的高頻等離子體源，其特征在于，所述的未封閉的罩殼在截面上是正方形的。
12.按權利要求8的高頻等離子體源，其特征在于，所述的未封閉的罩殼在截面上是矩形的。
13.按權利要求1至12之一的高頻等離子體源，其特征在于，多個所述的激勵電極(3)以10和100mm之間的間距彼此并列布置在真空中。
14.按權利要求1至13之一的高頻等離子體源，其特征在于，一個橫向磁場與所述的激勵電極(3)重疊。
15.按權利要求14的高頻等離子體源，其特征在于，為了生成橫向磁場，所述的磁場線圈(4)是圍繞等離子體布置的。
16.按權利要求15的高頻等離子體源，其特征在于，所述的磁場線圈(4)布置在真空之外。
17.按權利要求15的高頻等離子體源，其特征在于，所述的磁場線圈(4)布置在真空之內。
18.按權利要求15至17之一的高頻等離子體源，其特征在于，所述的磁場線圈(4)與等離子體體積的幾何形狀相匹配。
19.按權利要求15至18之一的高頻等離子體源，其特征在于，用直流運行所述的磁場線圈(4)和所述的磁場是靜態的。
20.按權利要求15至18之一的高頻等離子體源，其特征在于，用交流運行所述的磁場線圈(4)和所述的磁場是動態的，和/或旋轉的。
21.按權利要求20的高頻等離子體源，其特征在于，如下生成所述的動態磁場，使得通過相鄰的磁場線圈(4)對所述的電流移相。
22.按權利要求1至21之一的高頻等離子體源，其特征在于，所述的磁場線圈(4)、所述的激勵電極(3)和所述的氣體分配系統(6)在空間上和幾何形狀上彼此協調。
23.按權利要求1至22之一的高頻等離子體源，其特征在于，在等離子體體積的開口之前布置一個提取系統(5)。
24.按權利要求23的高頻等離子體源，其特征在于，所述的提取系統(5)由一個孔眼光圈(13)組成。
25.按權利要求23的高頻等離子體源，其特征在于，所述的提取系統由一個格柵、網絡或金屬網格(14)組成。
26.權利要求1至25之一的高頻等離子體被用于生成準中性的等離子體束的用途。
全文摘要
高頻等離子體源,具有一個載體元件(1),在該載體元件(1)上布置了一個磁場線圈裝置(4)、一個氣體分配系統(6)和一個用于提取等離子體束(5)的單元,其中,一個高頻匹配網絡(2)附加地位于離子體源的內部。
文檔編號H01J37/32GK1423916SQ01808088
公開日2003年6月11日 申請日期2001年2月21日 優先權日2000年2月24日
發明者M·維勒, R·達爾 申請人:Ccr涂敷技術有限責任公司