等离子体源及其启动方法与流程

1.本技术涉及离子源技术领域，特别是一种等离子体源及其启动方法。


背景技术：

2.在等离子源主要包括平行平板等离子体源(电容耦合)、微波等离子体源和电感耦合(icp)高频等离子体源等几种形式；电容耦合等离子体源一般是采用两圆型平行平板作为上下电极，射频电源通过配网耦合到上下极板上。微波等离子体利用微波电子回旋共振(ecr)技术来维持对反应气体的辉光放电，对控制薄膜的成分和镀膜内应力的较为灵活。电感耦合高频等离子体源主要是利用电感耦合高频等离子体装置，由高频发生器和感应圈、辉光放电管和供气系统、试样引入系统三部分组成；高频发生器产生高频磁场以供给等离子体能量，用高频点火装置产生放电，形成的离子与电子在电磁场作用下，与原子碰撞并使之电离形成更多的载流子，感应线圈将能量耦合给等离子体，并维持等离子辉光放电。
3.等离子体源的应用主要包括反应离子刻蚀rie和等离子体增强化学气相沉积pecvd；其中，反应离子刻蚀的刻蚀过程同时兼有物理和化学两种作用，辉光放电在零点几到几十帕的低真空下进行。基于辉光放电方法的pecvd技术，能够使得反应气体在外界电磁场的激励下实现电离形成等离子体。
4.上述技术的等离子体源，主要使用电容或者电感的方式直接电离气体，电离腔尺寸一般比较大，导致电离功率密度低，影响了电离效率；而且，需要工作的背景真空度不能太高，如果真空度过高使得气体密度不够，容易导致气体得不到有效的电离效果。
5.由此可见，现有的等离子体源存在电离效率低和容易产生电离效果不足的缺陷。


技术实现要素：

6.基于此，有必要针对上述至少一种技术缺陷，提供一种等离子体源及其启动方法，以提升气体电离效率和电离效果。
7.一种等离子体源，包括：射频线圈及其对应的第一电离室，至少一个感应线圈及其对应的第二电离室，以及供气管路；其中，所述感应线圈串接在射频线圈前端，第一电离室与第二电离室串联连接；
8.所述供气管路导入气体进入第一电离室，由射频线圈进行电离，未电离的气体进入第二电离室，由所述感应线圈进行二级电离后，输出等离子体；
9.所述射频线圈产生磁场对进入第一电离室的气体进行电离，同时所述感应线圈通过感应所述射频线圈产生的磁场而产生电感，对进入第二电离室的气体进行电离。
10.在一个实施例中，所述第一电离室的截面积小于所述第二电离室的截面积；所述气体进入第一电离室的气体浓度高，进入第二电离室的气体空间体积大。
11.在一个实施例中，所述感应线圈包括串联的第一线圈和第二线圈，其中，第一线圈套入所述射频线圈内，所述第二线圈包裹在所述第二电离室外。
12.在一个实施例中，所述射频线圈包裹有金属带，用于增强射频线圈的磁场传导效
率。
13.在一个实施例中，所述第一线圈与射频线圈之间包裹有第一金属圈，用于增强第一线圈的导电性；所述第二电离室与第二线圈还设置有第二金属圈，用于增强第二线圈的导电性。
14.在一个实施例中，所述第一金属圈与第二金属圈之间通过金属连接柱进行固定和连接。
15.在一个实施例中，所述射频线圈内置有冷却水路，所述感应线圈内置有冷却水路。
16.在一个实施例中，在所述离子发射口位置设置有阳极，所述阳极连接阳极电源，用于控制等离子体的发射角度。
17.在一个实施例中，所述的等离子体源，还包括连接所述第二电离室的可调长度的腔室结构，用于调整等离子体发射位置。
18.在一个实施例中，所述可调长度的腔室结构包括由多个不同长度的绝缘腔室组件，所述绝缘腔室组件通过转接接头连接到所述第二电离室。
19.在一个实施例中，所述的等离子体源，在离子发射口设置有中和器，用于提供中和电子以降低等离子体源的启动功率。
20.一种等离子体源的启动方法，应用于上述的等离子体源，该方法包括：
21.开启供气管路导入气体；
22.启动射频电源向所述射频线圈提供射频电源；
23.启动中和器，利用中和器输出的电子激活等离子体；
24.在判断等离子体源启动成功后，关闭所述中和器；
25.控制等离子体源进入正常工作模式。
26.上述等离子体源及其启动方法，设计了射频线圈和感应线圈的结构，感应线圈通过感应射频线圈产生的磁场而产生电感，气体由第一电离室进入后，先由射频线圈进行电离，然后气体再依次进入第二电离室，由感应线圈逐步进行二级电离后输出等离子体；该技术方案，通过设计感应线圈感应射频线圈的磁场得到电感方式，实现了多级射频电离效果，极大地提高了电离效率，可以在真空低气压下实现稳定的气体电离，增强了真空沉积过程的有效反应。
27.进一步的，设计了第一电离室小于第二电离室的结构，气体首先进入第一电离室的气体浓度最高，可以由射频线圈进行密度更高的电离，然后进入第二电离室的气体空间体积增大，有利于对气体进行高效电离，极大提升了气体的电离效率。
28.进一步的，通过感应线圈通过金属圈和金属连接柱可以增强导电性，从而提升了感应电感效率，加强电离效果；射频线圈通过金属带可以加强磁场传导效率。
29.进一步的，在离子发射口位置设置有阳极，通过控制阳极电源可以控制等离子体的发射角度，从而提升了对等离子体可控性，增强了等离子体源的使用效果。
30.进一步的，设计了可调长度的腔室结构来延长第二电离室的长度，从而可以调整等离子体发射位置，可以设计多个不同长度的绝缘腔室组件进行更换使用，极大提升了等离子体源的使用效果。
31.进一步的，在离子发射口外侧设置有中和器来协助等离子体源的启动，在启动时使用启动中和器输出电子，使得等离子体源可以在低功率下即可启动，降低等离子体源的
启动功率，提升了等离子体源的使用效率。
附图说明
32.图1是一个实施例的等离子体源的结构示意图；
33.图2是线圈结构示意图；
34.图3是射频线圈结构示意图；
35.图4是感应线圈结构示意图；
36.图5是阳极结构示意图；
37.图6是可调长度的腔室结构示意图；
38.图7是绝缘腔室组件结构示意图；
39.图8是一个示例的中和器工作示意图；
40.图9是等离子体源的启动方法流程图。
具体实施方式
41.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
42.参考图1所示，图1是一个实施例的等离子体源的结构示意图，图中所示是侧面角度的剖面图；如图中，本实施例提供的等离子体源，主要是包括射频线圈10及其对应的第一电离室11，至少一个感应线圈20及其对应的第二电离室21，以及供气管路30等结构，在第一电离室11外围可以是石英材料的绝缘组件。
43.如图示，感应线圈20串接在射频线圈10前端，第一电离室11与第二电离室21串联连接，为了便于描述，本实施例是以一个感应线圈20为例，如果需要串联多个电离室，可以从图示往左侧继续串联多个电离室和设计相应感应线圈。
44.在工作过程中，供气管路30导入气体进入第一电离室11，由射频线圈10进行电离，由于射频线圈10电离后，部分未电离的气体进入第二电离室21，由感应线圈20进行二级电离后，输出等离子体，等离子体由左侧开口发射出去，具体结构未图示。
45.在电离过程中，首先是射频线圈10产生磁场对进入第一电离室11的气体进行电离，同时感应线圈20通过感应射频线圈10产生的磁场而产生电感，对进入第二电离室21的气体进行电离；形成了多级射频电离效果，本实施例的多级射频电离效果是真正意义上的多级感应和逐级电离，并非多个射频线圈的电离，由此极大地提高了电离效率，可以在真空低气压下实现稳定的气体电离，增强了真空沉积过程的有效反应；由于是可以串联多级感应线圈和电离室，因此理论上可以将气体得到完全充分电离。
46.为了更加清晰本技术的技术方案，下面结合附图阐述更多实施例。
47.在一个实施例中，为了提升气体电离效率，参考图1，以第一电离室11与第二电离室21同轴连接为例，第一电离室11的截面积小于第二电离室21的截面积；，即气体由面积小到面积大进入电离室，由此，气体进入第一电离室11后，由于腔体体积较小，其气体浓度较高，此时气体可以由射频线圈10进行密度更高的电离，然后进入第二电离室21的气体空间体积增大，上述电离室的结构设计，有利于对气体进行高效电离，从而整体上极大提升了气
体的电离效率。
48.对于射频线圈10和感应线圈20结构，参考图2所示，图2是线圈结构示意图；如图示，感应线圈20可以包括串联的第一线圈201和第二线圈202两个部分，其中第一线圈201套入射频线圈10内，第二线圈202包裹在所述第二电离室21外；在该设计机构中，第一线圈201可以高效地感应射频线圈10的磁场，并传导至第二线圈202。
49.继续参考图2，进一步的，第一线圈201与射频线圈10之间还可以包裹有第一金属圈221，用于增强第一线圈201的导电性；同理，第二电离室21与第二线圈202还设置有第二金属圈222，用于增强第二线圈202的导电性；优选的，金属圈采用铜金属制作。
50.如图3所示，图3是射频线圈结构示意图，射频线圈10还可以包裹有金属带12，通过钎焊方式连接，用于增强射频线圈10的磁场传导效率，优选的，金属带12采用铜金属制作。对于射频线圈10，其通过射频匹配网络、匹配网络控制器连接至射频电源，通过匹配网络控制器可以对射频线圈10的射频功率进行控制。
51.另外，参考图4所述，图4是感应线圈结构示意图，第一金属圈221与第二金属圈222之间通过金属连接柱23进行固定和连接，优选的，金属连接柱23采用铜金属制作。
52.上述实施例的方案，通过感应线圈通过金属圈和金属连接柱可以增强导电性，从而提升了感应电感效率，加强电离效果；射频线圈通过金属带可以加强磁场传导效率。
53.参考图2
‑
4所示，射频线圈10内置有冷却水路，感应线圈20内置有冷却水路，通过冷却水路，如图2和3中，射频线圈10的入水口a1，出水口b1，感应线圈20的入水口a2，出水口b2；该冷却水冷设计，可以对射频线圈10和感应线圈20进行高效散热，确保等离子体源稳定性。
54.在一个实施例中，为了加强对等离子体的控制，在离子发射口位置还可以设置有阳极40，用于控制等离子体的发射角度；参考图5所示，图5是阳极结构示意图，其中阳极40可以设计成圆环结构，放置于离子发射口位置，阳极40连接阳极电源41，通过控制阳极电源41，可以控制电场大小，从而控制等离子体的发射角度，从而提升了对等离子体可控性，增强了等离子体源的使用效果。
55.在一个实施例中，为了加强对等离子体发射位置的控制，本技术的等离子体源还可以设计连接第二电离室21的可调长度的腔室结构210，参考图6所示，图6是可调长度的腔室结构示意图，该腔室结构可以延长离子发射口位置，从而调整等离子体发射位置。进一步的，如图7所示，图7是绝缘腔室组件结构示意图，可调长度的腔室结构210可以设计多个不同长度的绝缘腔室组件211，使用中可以根据需求选择相应长度的绝缘腔室组件211，通过转接接头212连接到第二电离室21。
56.在一个实施例中，为了降低启动功率，本技术的等离子体源还可以在离子发射口设置中和器50，对于具体位置，可以根据实际需求进行设定，参考图8所示，图8是一个示例的中和器工作示意图，中和器50设置在离子发射口外侧，在等离子体源启动时可以提供中和电子，由于真空中有大量的电子，使得电子和电离得到等离子体发生碰撞，从而可以降低等离子体源的启动功率，经验实测结果显示，通常等离子体源需要数千瓦功率才可以启动，而采用本实施例的方案，可以在几百瓦功率下启动。
57.基于上述提供的中和器技术方案，下面阐述等离子体源的启动方法的实施例；如图9所示，图9是等离子体源的启动方法流程图，主要包括：
58.s1，开启供气管路导入气体；具体的，打开气体流量计开始导入反应的气体。
59.s2，启动射频电源向射频线圈提供射频电源，对气体进行电离产生等离子体；在此开始启动等离子体源，气体在电离室内开始进行电离。
60.s3，启动中和器，利用中和器输出的电子激活等离子体；具体的，开启中和器向等离子体源提供电子。
61.s4，在判断等离子体源启动成功后，关闭所述中和器；具体的，真空中有大量的电子等离子体发生碰撞，可以低功率启动成功，成功后即可关闭中和器。
62.s5，控制等离子体源进入正常工作模式。
63.上述实施例的等离子体源及其启动方法，通过在离子发射口外侧设置中和器来协助等离子体源的启动，在启动时使用启动中和器输出电子，使得等离子体源可以在低功率下即可启动，降低等离子体源的启动功率，提升了等离子体源的使用效率。
64.综合上述实施例的技术方案，实现了多级射频电离效果，极大地提高了电离效率，可以在真空低气压下实现稳定的气体电离，增强了真空沉积过程的有效反应；实现在低气压下(高真空环境中<e
‑
2pa)实现稳定的气体电离效果。
65.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。