专利名称：高频等离子体源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一个用于有效激励低压气体放电(等离子体)的装置。所述的装置提供一种从高密度低压等离子体中提取的，高度离子化和电荷补偿的等离子体束。可以很好控制和调节等离子体束的性能(譬如离子能量、离子流密度、离子束的成份)。另可选择地，结合用于选择性提取电子或离子的系统可以提取一种负或正的粒子流。
等离子体系统对于高技术领域中的固体材料的制备和加工具有极大的重要性。特别的关注在于生成准中性的等离子体束的等离子体反应器。以下也称为等离子体源的等离子体反应器可用在等离子体加工的极其不同的应用领域。薄层的沉积和生长、雾化、刻蚀、清洗等等都属于此范围。等离子体束以相等的份额由正电荷的离子和(负电荷的)电子组成，并因此是电中性的。等离子体束的准中性允许电绝缘材料的涂层和表面处理，而不需要用于等离子体束中性化的附加构造。
当前的应用常常要求高份额的具有精确可调节离子能量的离子，以便保证形成所希望的化学键。因此为了从类似金刚石的碳(diamond-like carbon，DLC)或立方体的氮化硼中沉积出硬的层，需要具有约100eV离子能量的高度离子化的等离子体束，以便使sp3键的份额最大化。为了超越晶核形成阈，也同样象为了保证封闭而连续的层那样，需要一种涉及高能的沉积过程。对尽可能高的离子份额的要求意味着，在低压时，典型地在10-3mbar下生成等离子体。这又要求等离子体的磁场支持的激励，以便避免通过在等离子体容器的壁上的再组合所造成的损失。等离子体的有效激励是高等离子体密度和高沉积速率、或刻蚀速率的基本前提，以便因此能够保证短而费用有利的加工时间。为了保证具有高效率的经济的加工，等离子体源能够加工尽可能大的衬底面积的能力是很重要的。
现在存在一些用于等离子体辅助处理固体表面的各种各样的系统。这些系统的一部分基于将高频电的交变场用于生成等离子体。这些系统中的大多数具有阴极板和阳极板，其中，容性地经阴极将高频功率馈入等离子体。在电极之间形成一个其大小依赖于电极面积和所施加高频幅度的偏压。为了使离子轰击最大化，将衬底放在阴极上。容性耦合高频系统的缺点是由于高频功率被低效地输入等离子体中而产生的很微小的等离子体密度。在10-3mbar范围中的典型过程压力下，入射到衬底上的粒子流仅仅含有约5％的高能粒子。这不满足要求高能离子占优势的处理的许多实际应用。常规高频等离子体源的另一个缺点是宽广的离子能量分布。这些系统外加有比较微小的生长速率，其中，功率数据也还很强烈地依赖于环境条件。
U.S.专利5,017,835说明了一种用于生成大面积离子束的高频离子源，其中，感应地将高频能量输入等离子体。在夹在一个载体板和一个封闭板之间的管形等离子体容器中，这种源利用了等离子体的电子-回旋加速器-波谐振激励。可调谐的中间电路将高频发生器与负载电路线圈相连接。给等离子体叠加一个弱的直流磁场。用于离子提取的由多个电极组成的离子光学系统布置在载体板中。
U.S.专利5,156,703说明了一种用于表面剥蚀和结构化、用于制作表面掺杂、和用于通过来自等离子体的粒子轰击生成表面层的方法。从通过电场和磁场生成的低压等离子体中如下来提取准中性的等离子体束，即施加高频电压到提取电极和其它的电极上，低压等离子体位于该提取电极和其它的电极之间。在等离子体和提取电极之间下降的高频电压的幅度决定所提取离子的能量。
M.Weiler及其他人已在应用物理文献Applied Physics Letters卷64(1994)，2797-2799页，和在物理评论Physical Review B，卷53(1996)，1594-1608页中，说明了借助生成高频(13.56MHz)的、容性耦合的、磁场辅助的等离子体放电的等离子体源来沉积非晶形四面体结合的碳。这种源由一个大的可移动高频馈电的电极，以及一个连接到地电位上的较小的电源电极组成。给所述的等离子体叠加一个静态的双曲线磁场。在电极、等离子体和接地的电源之间形成正的偏压。可以垂直移动所述的电极。此时，它的有效面积和所形成的偏压同样在变化。因此可以经这种改变来调节离子的能量，而不改变气体压力或馈入的功率。在这种源上的革新在于，不是通过将电压施加到衬底上，而是通过内部的偏压可控制或调节离子的能量。象在所有容性耦合的等离子体源上那样，甚至在这种系统中在10-3mar压力下的等离子体密度是很微小的。
由M.Weiler及其他人已在应用物理文献Applied PhysicsLetters卷72(1998)，1314-1316页中说明了所述等离子体源的一种改进形式。通过具有横向叠加的静态磁场的，高频(13.56MHz)的，感应耦合的等离子体放电来生成等离子体束。通过施加高频幅度到位于等离子体后面的电极上可以变化离子能量。
U.S.专利5,858,477包括用于通过沉积非晶形四面体结合的碳而在存储器介质上制备防磨损层的方法和装置。这些系统中的一个说明了一种等离子体源，其中，由天线包围等离子体体积，并因此通过高频感应来激励等离子体，布置了一个朝向等离子体体积的耦合电极和一个通过容性耦合从等离子体提取离子束的，在等离子体体积的开口之上的提取电极。为了等离子体束的均匀化，围绕等离子体体积布置了用于生成旋转的横向磁场的线圈。
常规等离子体源的一个问题是不能彼此独立地调节离子能量和离子流密度。常规高频源的一个其它问题在于需要一个分离的高频阻抗匹配网络。高频匹配网络在此将高频发生器的功率经电缆馈入激励电极，由此产生可观的功率损失。除此之外，在通常的等离子体源中不能彼此独立地调节高频匹配网络中的高频电压的幅度以及高频电流的幅度。因此不能以最佳的方式利用象电子-回旋加速器-波谐振或Landau衰减那样的谐振效应。
本发明基于的任务是提高等离子体源的多样性、功能性和效率，即可以彼此独立地控制离子能量和离子流密度，同时提供高的等离子体密度以及高的分解度或电离度，并减少功率损失。
按本发明可用于生成准中性的等离子体束或离子束的高频等离子体源由一个载体元件组成，在该载体元件上布置了用于生成横向磁场的磁场线圈装置、用于将工作气体充入等离子体体积中的气体分配系统、和用于提取等离子体束的单元，其中，用于将发生器功率馈入等离子体的高频匹配网络附加地位于等离子体源的内部，该高频匹配网络通常由具有任意可变电容器和高频空心线圈的一次开关电路，以及由具有电容器、高频空心线圈、和至少一个激励电极的二次开关电路组成，其中，两个开关电路经高频空心线圈的感应磁通和外加容性地彼此耦合。
在本发明的等离子体源上可以彼此独立地调节离子能量、离子流密度、分解度和电离度。所述的源将高频(典型地13.56或27.12MHz)用于激励气体放电。此时，在磁场辅助的等离子体中主要经感应和利用电子-回旋加速器-波谐振或Landau衰减的机理将高频功率馈入到等离子体中。
此外用于减少功率损失的高频匹配网络是等离子体源的集成性的组成部分，即它布置在源的内部，使得不再需要外加的匹配网络。它允许经较大的范围并独立于离子流密度来调节离子能量。在二次电路中采用可变电容器时这可以连续地实现。如此来设计高频匹配网络，使得保障了高频电流幅度和高频电压幅度的独立的控制和可调节性。这实现了对于激励机理(ECWR或Landau)所必要的条件的精确选择，以便可以分别以高的效率来激励等离子体。本发明的等离子体源生成直至1013cm3的很高的等离子体密度，提供直至50％的很高的电离度，和具有在双原子的分子，譬如象氧气、氮气、或氢气的情况下可直至80％的很高的分解度。此外，存在着独立于离子流密度并在10至约1000eV的范围可连续调节离子能量的可能性。本发明的等离子体源因此生成一个离子能量、离子流密度和等离子体束成份等具有良好规定特性的高度离子化电荷补偿的等离子体束。附加保证了等离子体束的、也象粒子游离那样的均匀性。因此保证了等离子体源的长时稳定性和因而处理的可掌握性，以及甚至在维护期之间的很长的寿命。
在CCR责任有限公司的具有专利局文件号100 08 485.0的德国专利申请″高频匹配网络″中详细说明了这种类型的匹配网络。
既可以在真空之内，也可以在真空之外布置用于联合的感应以及容性的等离子体激励的激励电极。它应在形状、大小和布置方面与所希望的等离子体束的几何形状相匹配。也可以采用优先以10和100mm之间的间距彼此并列布置在真空中的多个激励电极。通常在此情况下经一个自己的匹配网络和一个分离的匹配网络对每个电极馈电。因此存在着在各个等离子体体积中生成不同等离子体的，以及在很大程度上彼此独立地控制和调节这些等离子体的射束性能的可能性。
仅采用其绕组匝数n≤1的激励电极。由此使激励电极的电感，并因而使在激励电极和地之间经等离子体下降的高频幅度最小化。因此主要感应地实现通往等离子体中的功率输入。然后经匹配网络的本发明的电路连接进行可连续接入的电容功率输入。
通常由管材或金属丝材料制作激励电极。如果现在应借助通往等离子体的容性耦合-即通过一个在激励电极和地之间施加在等离子体上的附加的高频幅度-来提高离子能量，则最大可达到的离子能量则仍然是相当小的。通过由管材或金属丝材料制作的激励电极不能达到更高的离子能量。等离子体体积的边缘面积通常由接地面积，并也由输送高频的面积组成。输送高频的面积对接地面积之比越大，最大可达到的离子能量则越高。因此罩壳状或带状地实施激励电极，以便由输送高频的面积代替尽可能多的接地面积。此时，罩壳的高度最多相当于等离子体体积的长度。所述的电极可以具有板的形状或不封闭罩壳的形状，其中，这种罩壳在截面上优选是环形、扇形、正方形、或矩形的。
通过高频把功率馈入等离子体。为了提高功率馈入的效率，通常给等离子体，也给激励电极叠加一个用于谐振激励的横向磁场。通过围绕等离子体体积布置的磁场线圈可以生成所述的磁场。这些磁场线圈既可以布置在真空之外，也可以布置在真空之内，并与等离子体体积的几何形状相匹配。如果用直流电运行线圈，则磁场是静态的。在用交流电运行时可以通过时间上错开控制并列的线圈，或通过相移的电流达到磁场围绕等离子体源的纵向轴的旋转。所述的磁场则是动态的。
经磁场的变换可以选择性地经过驻波的生成，或通过满足Landau衰减的谐振条件来进行等离子体的谐振激励。经等离子体空间中的磁场强度的变化，等离子体的折射率n可以经越较大的范围，通常在50和500之间变化。为了满足Landau谐振条件，电磁波的相速度CPL必须与等离子体电子的平均速度Ve一致。通过折射率决定相速度，而经电子温度Te决定电子的平均速度。必须适用CPL＝Cv/n＝(KTe/me)1/2。
静态的横向场经越等离子体体积是不均匀的。从中得出在等离子体体积中的局部不同的激励效率，并产生局部不同的等离子体密度。所提取的等离子体束因而也是不均匀的。最后譬如导至具有高的层厚波动的涂层。因此在衬底上反映出横向磁场的不均匀性。通过采用动态的磁场可以优化激励的不均匀性。然后布置至少三个围绕离子体体积的磁场线圈来代替两个磁场线圈(静态)。可以将交流电(f＜100Hz)用于线圈的驱动，也就是如下地，使得两个并列线圈中的电流相互是相移的。因此达到磁场围绕等离子体源纵向轴的旋转。磁场的这种旋转经一个旋转周期积分地或累加地导至等离子体的均匀激励。附加地进行等离子体的改善均匀性的混匀。
如果在最内部的线圈层之上如下布置一个第二层，即将来自第二层的一个线圈中心定位在来自最内部层的一个线圈副的末端上，则达到附加改善所提取等离子体束的均匀性。
以理想的方式在高频等离子体源中在空间和几何形状上彼此协调磁场线圈、激励电极和气体充入系统。
为了从等离子体中提取带电粒子(通常为离子和/或电子)，也称为提取系统的用于提取等离子体束的单元可以布置在等离子体体积的开口上。在最简单的情况下可以采用一种光圈，即具有一个开口的平板，使得保证了等离子体的流出。一种变型在于采用位于地电位上的格栅、网络或金属网格。因此从等离子体电位和地电位的差值中得出从源中流出离子的能量。通过施加在激励电极上的电交变场的高频幅度可以变化等离子体的电位。因此可以通过高频电压幅度来变化离子的动能。
以下示范性地借助
本发明图1 展示了等离子体源的示意性构造，图2a-j 展示了激励电极的可能的形状和布置，图3a-c 展示了通过激励电极的截面图，图4a-n 展示了磁场线圈的可能的形状和布置，图5 展示了作为用于表示Landau衰减谐振的磁场强度的函数的离子流密度，图6a，b展示了等离子体束提取系统的不同的布置。
附图1中示出了等离子体源的原理性构造。等离子体源由不同的主要组件组成。它由一个载体元件(1)组成，在该载体元件(1)上布置了一个用于生成横向磁场的多个磁场线圈(4)的装置、一个用于提取等离子体束(5)的单元、和一个气体分配系统(6)。此外，一个用于与生成等离子体的所属激励电极(3)的阻抗相匹配的高频匹配网络(2)位于同样与载体元件(1)相连接的等离子体源内部。激励电极(3)布置在真空中，并经真空流通孔(9)与匹配网络的主要部分相连接。工作气体经气体分配系统(6)穿过等离子体源充入等离子体体积中。在组装的状态下和在协调所有组件之后，等离子体源是一个可以法兰连接到真空容器(7)的壳体壁上的紧凑单元。需要一个频率位于13.56MHz上的高频发生器(8)用于功率馈入。如此进行磁场线圈(4)的控制，使得生成旋转的磁场。
附图2中示出了激励电极的不同形状和布置。激励电极的形状和大小与所希望的等离子体束的截面相匹配。扇形的激励电极(附图2a)生成圆的射束型面，正方形的激励电极(附图2b)生成正方形的射束型面。矩形的(附图2c)以及实施为带(附图2d)的激励电极生成线状的射束型面。以多种多样的方式，仅以10至100mm的微小间距可以彼此并列定位示范性表示的激励电极(附图2e-j)。
附图3a展示了5mm宽和50mm高的罩壳形激励电极的剖面图。附图3b展示了激励电极的一个变型，其中，一个管道(10)与它相连接。附图3c展示了激励电极的一个其它的变型，其中，此激励电极本身配备了一个空腔(12)。为了冷却可以用液体介质，优选用水冲洗管道(11)的内部或空腔(12)。
附图4展示了用于生成横向场的磁场线圈的可能的形状和布置。
附图5以作为磁场线圈电流的函数的离子流密度示图而展示了所述源的谐振特性。
附图6展示了提取系统的不同的方案。在最简单的情况下可以采用具有开口(13)的平板(附图6a)。附图6b展示了一种位于地电位上的金属网格(14)。
参考符号表1 载体元件2 高频匹配网络3 激励电极4 磁场线圈装置5 用于提取等离子体束的单元6 气体分配系统7 真空容器的壳体壁8 高频发生器9 真空流通孔10 管道11 管道内部12 激励电极的空腔13 孔眼光圈14 格栅、网络或金属网格
权利要求
1.高频等离子体源，具有一个载体元件(1)，在该载体元件(1)上布置了-一个磁场线圈装置(4)，-一个气体分配系统(6)，和-一个用于提取等离子体束(5)的单元，其特征在于，另外还有一个高频匹配网络(2)位于离子体源的内部。
2.按权利要求1的高频等离子体源，其特征在于，所述的高频匹配网络(2)由一个具有一个任意和可变的电容器和一个高频空心线圈的一次开关电路，以及一个具有一个电容器、一个高频空心线圈和至少一个激励电极的二次开关电路组成，其中所述开关电路经高频空心线圈的感应磁通彼此进行耦合，且另外还容性地耦合。
3.按权利要求1或2的高频等离子体源，其特征在于，可以在容性的和感应的等离子体耦合之间作出选择。
4.按权利要求1至3之一的高频等离子体源，其特征在于，可以连续地在容性的和感应的等离子体耦合之间作出选择。
5.按权利要求1至4之一的高频等离子体源，其特征在于，至少一个激励电极(3)布置在真空中。
6.按权利要求1至5之一的高频等离子体源，其特征在于，所述激励电极(3)的形状、大小和布置与所希望等离子体束的几何形状相匹配。
7.按权利要求1至6之一的高频等离子体源，其特征在于，所述的激励电极(3)具有板的形状。
8.按权利要求1至7之一的高频等离子体源，其特征在于，所述的激励电极(3)具有未封闭的罩壳的形状。
9.按权利要求8的高频等离子体源，其特征在于，所述的未封闭的罩壳在截面上是环形的。
10.按权利要求8的高频等离子体源，其特征在于，所述的未封闭的罩壳在截面上是扇形的。
11.按权利要求8的高频等离子体源，其特征在于，所述的未封闭的罩壳在截面上是正方形的。
12.按权利要求8的高频等离子体源，其特征在于，所述的未封闭的罩壳在截面上是矩形的。
13.按权利要求1至12之一的高频等离子体源，其特征在于，多个所述的激励电极(3)以10和100mm之间的间距彼此并列布置在真空中。
14.按权利要求1至13之一的高频等离子体源，其特征在于，一个横向磁场与所述的激励电极(3)重叠。
15.按权利要求14的高频等离子体源，其特征在于，为了生成横向磁场，所述的磁场线圈(4)是围绕等离子体布置的。
16.按权利要求15的高频等离子体源，其特征在于，所述的磁场线圈(4)布置在真空之外。
17.按权利要求15的高频等离子体源，其特征在于，所述的磁场线圈(4)布置在真空之内。
18.按权利要求15至17之一的高频等离子体源，其特征在于，所述的磁场线圈(4)与等离子体体积的几何形状相匹配。
19.按权利要求15至18之一的高频等离子体源，其特征在于，用直流运行所述的磁场线圈(4)和所述的磁场是静态的。
20.按权利要求15至18之一的高频等离子体源，其特征在于，用交流运行所述的磁场线圈(4)和所述的磁场是动态的，和/或旋转的。
21.按权利要求20的高频等离子体源，其特征在于，如下生成所述的动态磁场，使得通过相邻的磁场线圈(4)对所述的电流移相。
22.按权利要求1至21之一的高频等离子体源，其特征在于，所述的磁场线圈(4)、所述的激励电极(3)和所述的气体分配系统(6)在空间上和几何形状上彼此协调。
23.按权利要求1至22之一的高频等离子体源，其特征在于，在等离子体体积的开口之前布置一个提取系统(5)。
24.按权利要求23的高频等离子体源，其特征在于，所述的提取系统(5)由一个孔眼光圈(13)组成。
25.按权利要求23的高频等离子体源，其特征在于，所述的提取系统由一个格栅、网络或金属网格(14)组成。
26.权利要求1至25之一的高频等离子体被用于生成准中性的等离子体束的用途。
全文摘要
高频等离子体源,具有一个载体元件(1),在该载体元件(1)上布置了一个磁场线圈装置(4)、一个气体分配系统(6)和一个用于提取等离子体束(5)的单元,其中,一个高频匹配网络(2)附加地位于离子体源的内部。
文档编号H01J37/32GK1423916SQ01808088
公开日2003年6月11日 申请日期2001年2月21日 优先权日2000年2月24日
发明者M·维勒, R·达尔 申请人:Ccr涂敷技术有限责任公司