一种射频放电系统及其法拉第屏蔽结构的制作方法

本实用新型涉及等离子体技术领域，特别是涉及一种射频放电系统及其法拉第屏蔽结构。

背景技术：

柱面线圈射频感性耦合放电等离子体源应用非常广泛，如刻蚀机、薄膜沉积设备、射频离子源以及基于射频放电的中性束注入系统等。其工作原理为：在柱面线圈射频感性耦合放电中，在介质桶(一般采用石英或陶瓷)外壁缠绕若干匝放电线圈，然后将放电线圈上通入射频电流，就会电离石英桶内的工作气体，形成等离子体。在工作过程中，为了保护介质桶不因静电场加速离子的轰击而缩短寿命或者损坏，一般会在介质桶的内侧或者外侧放置一个接地的法拉第屏蔽桶。

请参考图1，图1为传统的射频放电系统内置法拉第屏蔽桶结构示意图，在金属腔室1(不锈钢材质)上焊接有带有螺纹的圆筒2，里面插入石英桶4，然后通过O型圈真空密封。在石英桶4外侧缠绕放电线圈3(一般用铜管绕制而成)，匝数从一到数十匝不等；密封石英桶4顶端的金属密封件6其轴心处开有工作气体进入的进气口。在石英桶4中，紧贴石英桶4的内壁放置一个法拉第屏蔽桶5，法拉第屏蔽桶5与金属腔室1和金属密封件6进行连接(金属硬连接，即导电，但不密封)。

法拉第屏蔽桶5的作用是在法拉第屏蔽桶5和金属腔室1有效接地(一般接地线)后，能够屏蔽射频线圈3上的高压端与低压端形成的静电场，从而抑制等离子体对石英桶4的刻蚀，有效的防止了等离子体对石英桶4的溅射损伤，延长了石英桶4的寿命。但是在实际使用过程中会发现，内置的法拉第屏蔽桶5虽然能够抑制大部分的射频静电场，但是由于其浸没在等离子体中，离子会对法拉第屏蔽桶5表面进行轰击溅射、刻蚀，从而导致金属原子进入到等离子体中污染等离子体；而溅射出来的金属原子又会再次沉积到石英桶4内壁上形成金属膜，降低了射频电磁场入射到石英桶4内部。此外，随着使用时间的延长，法拉第屏蔽桶5局部会被刻蚀到水冷位置，从而易出现漏水、真空度无法保证的问题。

请参考图2，图2为传统的射频放电系统外置法拉第屏蔽桶结构示意图；在金属腔室1上焊接有带有螺纹的圆筒2，里面插入石英桶4，然后通过O型圈真空密封，密封石英桶4顶端的金属密封件6其轴心处开有工作气体进入的进气口。在石英桶的外侧套有一个法拉第屏蔽桶5，法拉第屏蔽桶5与金属腔室1有效的硬连接同时接地。在法拉第屏蔽桶5外侧缠绕若干匝放电线圈3；当放电线圈3中通入射频电流时，就可以产生电磁场穿透法拉第屏蔽桶5到达石英桶4芯部，产生和维持等离子体。从图2中可以看出，放电线圈3与接地的法拉第屏蔽桶5很近，而放电线圈3输入射频电流时，必然存在一个射频高压端，因此放电线圈3和法拉第屏蔽桶5之间会形成强的静电场，很容易击穿打火，烧坏放电线圈3或者法拉第屏蔽桶5。

综上所述，接地的法拉第屏蔽桶的设置，能够有效的降低放电线圈上的电压降形成的容性场(静电场)；且不影响线圈上的电流产生的电磁场(电磁场可以通过法拉第屏蔽桶中间的缝隙穿透进去)，从而降低等离子体中的离子轰击介质窗，保护介质窗并延长了介质窗的工作寿命。但内置的法拉第屏蔽桶是浸没在等离子体中，等离子体会对其刻蚀和溅射，被溅射出来的金属原子污染等离子体；甚至金属原子再介质桶内壁再沉积，形成致密金属膜，降低了线圈上的射频电流产生的电磁场的穿透，降低了射频功率的耦合效率；外置的法拉第屏蔽桶，容易与线圈之间形成高压打火，击穿烧坏线圈或者法拉第屏蔽桶，从而不能产生等离子体。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种射频放电系统及其法拉第屏蔽结构，以解决上述现有技术存在的问题，使法拉第屏蔽桶与等离子体不直接接触，且避免与放电线圈之间高压打火。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

本实用新型提供了一种射频放电系统用法拉第屏蔽结构，所述射频放电系统的金属腔室壳体通过内介质桶和外介质桶与金属盖板密封连接，所述金属盖板上设有进气口，所述外介质桶套设在所述内介质桶外侧，所述外介质桶外侧绕设有放电线圈，所述内介质桶和所述外介质桶之间设有法拉第屏蔽桶，所述法拉第屏蔽桶与所述金属腔室壳体和所述金属盖板连接。

优选地，所述内介质桶和/或所述外介质桶与所述法拉第屏蔽桶之间设有径向间隙，所述径向间隙连通有进水口和出水口，所述进水口用于向所述径向间隙中通入冷却介质，所述出水口用于所述冷却介质流出。

优选地，所述进水口和所述出水口均设置在所述金属盖板上且贯穿所述金属盖板，所述进水口和所述出水口相对于所述径向间隙的轴线对称设置。

优选地，所述冷却介质为去离子水。

优选地，所述法拉第屏蔽桶包括上金属环、下金属环和若干个连接所述上金属环和所述下金属环的金属柱子，所述金属柱子之间设有周向间隙，所述上金属环和所述下金属环分别与所述金属盖板和所述金属腔室壳体连接。

优选地，所述上金属环、所述下金属环和所述金属柱子均为中空结构且彼此连通，所述上金属环或所述下金属环上设有进水口和出水口。

优选地，所述周向间隙为2-10mm。

优选地，所述法拉第屏蔽桶、所述金属腔室壳体和所述金属盖板的材料均为不锈钢，所述法拉第屏蔽桶通过所述金属腔室壳体接地。

优选地，所述外介质桶套和所述内介质桶与所述金属盖板和所述金属腔室壳体之间均设有密封圈，所述金属盖板和所述金属腔室壳体上设有用于卡接所述密封圈、所述外介质桶套和所述内介质桶的环槽。

本实用新型还提供了一种射频放电系统，包括如上述技术方案中任一项所述的射频放电系统用法拉第屏蔽结构，所述放电线圈通过匹配网络连接有射频功率源。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

本实用新型通过将法拉第屏蔽桶设置在内介质桶和外介质桶之间，解决了内置法拉第屏蔽桶的等离子体刻蚀轰击溅射难题；避免了内置法拉第屏蔽桶因为刻蚀、溅射，金属离子再次在功率耦合窗口沉积而导致的降低射频功率耦合效率的问题；还解决了外置法拉第屏蔽桶的放电线圈与法拉第屏蔽桶之间因距离过近而易出现的高压打火击穿的问题。

此外，本实用新型通过在内介质桶和/或外介质桶与法拉第屏蔽桶之间设置径向间隙，并通过进水口和出水口使冷却介质流通，加之法拉第屏蔽桶的金属柱子之间设有周向间隙，使得法拉第屏蔽桶和介质桶能够有效的被冷却介质冷却，提高了形成的等离子体的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统的射频放电系统内置法拉第屏蔽桶结构示意图；

图2为传统的射频放电系统外置法拉第屏蔽桶结构示意图；

图3为本实用新型射频放电系统用法拉第屏蔽结构的示意图；

图1和图2中：1-金属腔室，2-圆筒，3-放电线圈，4-石英桶，5-法拉第屏蔽桶，6-金属密封件。

图3中：1-金属腔室壳体，2-环槽，3-外介质桶，4-放电线圈，5-法拉第屏蔽桶，6-内介质桶，7-金属盖板，8-进水口，9-进气口，10-出水口。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

如图3所示：本实施例提供了一种射频放电系统用法拉第屏蔽结构，射频放电系统的金属腔室壳体1通过内介质桶6和外介质桶3与金属盖板7密封连接，具体的，外介质桶3和内介质桶6的材料优选为石英或陶瓷，且外介质桶3和内介质桶6与金属盖板7和金属腔室壳体1之间均设有密封圈进行真空密封，金属盖板7和金属腔室壳体1上设有用于卡接密封圈、外介质桶3和内介质桶6的环槽2。

外介质桶3套设在内介质桶6外侧，外介质桶3外侧绕设有放电线圈4，内介质桶6和外介质桶3之间设有法拉第屏蔽桶5，法拉第屏蔽桶5、金属腔室壳体1和金属盖板7的材料均为不锈钢，法拉第屏蔽桶5通过金属腔室壳体1接地。

法拉第屏蔽桶5包括上金属环、下金属环和若干个连接上金属环和下金属环的金属柱子，金属柱子之间设有周向间隙，周向间隙可选为2-10mm。法拉第屏蔽桶5与金属腔室壳体1和金属盖板7连接，具体为上金属环与金属盖板7连接，下金属环与金属腔室壳体1连接。

金属盖板7中心位置设有进气口9，用于通入工作气体。

此外，内介质桶6和外介质桶3与法拉第屏蔽桶5之间设有径向间隙，径向间隙构成水冷通道且连通有进水口8和出水口10，进水口8和出水口10均设置在金属盖板7上且贯穿金属盖板7，进水口8和出水口10相对于径向间隙的轴线对称设置。进水口8用于向水冷通道中通入冷却介质，出水口10用于冷却介质流出，冷却介质优选为去离子水。进水口8和出水口10可以通过水泵和冷却介质箱体循环连通。

需要说明的是：冷却结构不限于此，上金属环、下金属环和金属柱子还可均为中空结构且彼此连通，进水口8和出水口10设置在上金属环上并从金属盖板7中引出。

本实施例还提供了一种射频放电系统，包括上述的射频放电系统用法拉第屏蔽结构，放电线圈4通过匹配网络连接有射频功率源。

本实施例的射频放电系统及其法拉第屏蔽结构的工作原理为：

通过进水口8和出水口10利用冷却介质对法拉第屏蔽桶5、内石英桶和外石英桶进行冷却，射频功率源开启，通过匹配网络加载在放电线圈4上，此时放电线圈4会产生的电磁波和静电场，静电场大部分会被法拉第屏蔽桶5遮挡，而电磁场能够透过法拉第屏蔽桶5之间的周向间隙透射到内石英桶芯部，当工作气体通过进气口9输入到内石英桶内部后，便会产生并维持等离子体。

本说明书中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。