专利名称：用于膨胀热等离子体的电感耦合的系统和方法
技术领域：
本发明涉及等离子体处理，尤其涉及膨胀热等离子体(ExpandingThermal Plasma)的电感耦合。
背景技术：
采用诸如热等离子体、膨胀热等离子体(ETP)和电感耦合等离子体(ICP)的等离子体在衬底上实施涂层的淀积。通过在ETP源的上游部分中施加的高压下形成热等离子体，并将该热等离子体提供给ETP源的下游部分，由此来制造ETP。所述下游部分包括低压室(具有低于上游部分的压力)，其接受该热等离子体和试剂前驱体的注入。在低压室内部，热等离子体将发生膨胀，因为在ETP源的上游和下游部分之间存在较大的压力差。由于在热等离子体和试剂之间存在化学反应，例如电荷交换和后续的离解复合反应，因此注入到膨胀热等离子体中的试剂将发生离解。
通过独立ETP源淀积的涂层覆盖具有有限宽度的表面，通常所述有限宽度小于30cm。因此，需要多个ETP源来涂覆大面积。ETP的能级分布是不均匀的，通常为高斯形状的，从而导致基本上为高斯形状的等离子体密度和高斯形状的淀积厚度轮廓。但是，在大多数应用当中，对于单个ETP源都希望取得均匀厚度轮廓，尤其是在采用多个源涂覆单个表面时。
此外，在ETP源中，离子轰击诸如聚合物衬底的电浮置衬底的能量极低且不可控制。ETP具有低离子能量的趋势可能与具有良好的粘附力和/或高密度的涂层的生成相抵触。
已经进行了降低泵浦要求和提高效率的尝试。这些尝试包括降低ETP源的级联板(cascade plate)中的孔径尺寸，从而使ETP以降低的等离子体气流工作，其接下来又降低试剂离解所需的离子流量和淀积速度。也尝试过采用喷嘴注射器提高利用率，所述喷嘴注射器配置来将试剂和膨胀热等离子体充分混合。但是，喷嘴注射器基本上会限制等离子体，这易于导致不均匀性。还尝试过向实施淀积的衬底上施加独立的偏压，以提高离子能量控制。但是，在处理诸如聚合物衬底的电浮置衬底时，这一方法不起作用。
尽管如此，ETP具有较高的带电粒子密度、较低的电子温度，并且能够在电子温度和离子温度之间保持平衡，因此具有较低的离子温度和轰击能量，这是半导体应用所希望得到的，并且能够防止对电子器件的损坏。尽管认为ETP的低电子温度是有利的，但是提高电子温度不具有明显的优势。尽管在较低电子温度下发生的电荷交换反应和随后的离解复合反应的基础上提供了试剂离解途径，但是ETP的Te对于在电子撞击离解反应的基础上提供试剂离解途径而言过低。
每一种途径都提供了生成特定化学物种(species)的能力，缺少电子撞击离解途径将限制可能生成的化学物种的种类，从而制约对涂覆工艺的贡献，并降低独立的ETP源的效率。从而导致对泵浦过程产生进一步的需求，包括增大气体和能量载荷，增加ETP源的数量来实现大面积均匀性，以及提高成本。
另一方面，通过ICP源形成ICP，ICP源包括接收试剂前驱体注入的低压室，其中，该低压室设有至少一个连接至能量源的线圈。在通过所述至少一个线圈施加能量时，增大了Te并获得了电子撞击离解的途径。但是，与ETP类似，ICP通常无法在较大的区域上提供均匀的淀积。此外，相对于ETP，ICP中的带电粒子密度通常较低，其制约了试剂凭借高能电子发生离解反应而生成的试剂片段的密度，从而导致了涂层的低的生长速率。
已经尝试过采用更高功率的ICP来生成更高的带电粒子密度，但是通常会产生高功率寄生电容功率耦合，从而导致对反应器壁的溅射，并由此污染所淀积的涂层。此外，作为ICP等离子体生成机制的结果，电子温度通常不会降低到某一能量以下，从而限制了可以凭借ICP源获得的等离子体化学性质。
因此，存在对某种系统和方法的需要，所述系统和方法用于使离解后的试剂均匀分布于衬底表面，由此在衬底上形成涂层。
此外，还存在对某种系统和方法的需要，所述系统和方法用于有效地生成具有可控电子温度的高电子密度，从而将类似于ICP的高Te与类似于ETP的高电子密度相结合，由此在电荷交换和离解复合途径，以及电子撞击离解途径的基础上实现高生长速率。在下文中将对其他优点进行更为详细的说明。
发明内容
本发明提供了一种采用等离子体发生器系统的用于生成等离子体的方法。所述方法包括将能量和反应物引入到等离子体发生器系统的等离子体生成设备中的步骤，用于生成等离子体，并使所生成的等离子体膨胀和电感耦合。
在本发明的其他实施例中，提供了一种等离子体生成系统，其包括用于生成热等离子体的等离子体生成设备。由处于所述等离子体生成设备之外的等离子体处理室接收所述热等离子体。在等离子体的生成过程中，压力控制系统维持等离子体处理室内的压力低于等离子体生成设备中压力，从而引起热等离子体在等离子体处理室内膨胀。电感系统对热等离子体进行电感耦合。
在本发明的其他实施例中，提供了一种等离子体生成系统，其包括用于生成等离子体的设备。用于接收的设备接收生成的等离子体并提供所生成等离子体的膨胀。用于电感耦合的设备对所生成的等离子体进行电感耦合，其中，用于接收的设备和用于电感耦合的设备一起将所生成的等离子体变为经电感耦合和膨胀的等离子体。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种等离子体发生器系统，其包括用于通过将能量和反应物引入到等离子体发生器系统而生成等离子体的装置；以及用于对所生成的等离子体进行膨胀处理和电感耦合的装置。
在本发明的另一个实施例中，提供了一种膨胀电感耦合等离子体。生成所述等离子体的方法包括如下步骤将能量和反应物引入到等离子体发生器系统的等离子体生成设备中，以生成等离子体；以及使所生成的等离子体发生膨胀和电感耦合。
在本发明的另一个实施例中，提供了具有至少一个表面的物体。采用膨胀感应耦合等离子体对所述表面进行处理，其中，生成所述等离子体的方法包括如下步骤将能量和反应物引入到等离子体发生器系统的等离子体生成设备中，以生成等离子体；以及使所生成的等离子体发生膨胀和电感耦合。
图1是现有技术中的ETP感应器的示意图；
图2是现有技术中的ICP感应器的示意图；图3是根据本发明的实施例的等离子体源系统的示意图；图4是根据本发明的另一实施例的等离子体源系统的示意图；具体实施方式
根据本说明书，通过将电感耦合与膨胀热等离子体(ETP)系统相结合，实现卓越的等离子体处理。就淀积均匀性、电子和离子能量控制以及效率而言，通过所述结合取得的结果优于ETP或电感耦合等离子体(ICP)。在图1中示意性地示出了常规ETP反应器10。ETP感应器10包括上游部分12和下游部分14，其中，上游部分包括等离子体发生器16，下游部分包括室18。所述上游部分12类似于授予Schram等人的美国专利4,871,580的图2所示的。在室18中放置衬底20。
等离子体发生器16通过入口22接收反应物，例如包括氩气、氙气、氦气、其他惰性气体、氮气和/或氢气在内的气体。通过能量源21向等离子体发生器施加能量，例如在等离子体16内产生电弧和/或放电。电弧和/或放电作用于所述反应物以产生等离子体。在等离子体发生器16内保持适合产生热等离子体的压力。在示范性的等离子体发生器中，热等离子体的离子和电子具有1eV的温度，电荷密度为1015cm-3或更高。等离子体发生器16进一步设有喷嘴，热等离子体通过所述喷嘴离开所述等离子体发生器16，从而穿过入口24，之后进入室18。
使室18保持低于等离子体发生器16中所保持的压力，从而使热等离子体膨胀成膨胀热等离子体50。在室18中，ETP 50迅速冷却，并且电子和离子开始复合，之后膨胀爆音(shock)，即膨胀速度从超音速转为亚音速，电子温度(Te)降低，例如降至0.1-0.3eV，电荷密度约为1012cm-3。
将试剂通过端口，例如注入入口26，注入到室18中，引起前驱体离解的发生，所述前驱体离解主要通过在反应物离子和试剂离子之间的电荷交换和随后的离解复合反应而发生，所述试剂可以是由气体、液体和/或固体形成的材料，例如，硅烷、甲烷、其他碳氢化合物、碳氟化合物、碳氘合物、氘化硅烷、酒精、丙烯酸盐、环氧树脂、有机硅烷、氯代硅烷、氟代硅烷、氨基硅烷、有机硅酮、有机金属前驱体、金属氯化物、金属氟化物、水、氧气、氢气、氮气、氨气、二氧化碳、一氧化碳或上述材料的适当组合。试剂分解产品随着膨胀被以高漂移速度传送，由此产生反应组分的传送流，所述化学组分到达衬底20的表面，从而在衬底上淀积涂层34。
ETP 50为电子温度与离子温度基本上相等的平衡等离子体，其中电子温度和离子温度较低，例如0.1eV。ETP 50的离子密度具有高斯分布，其导致了衬底20上的涂层34具有在厚度和密度上非均匀的高斯形状的淀积轮廓。
图2示出了常规ICP反应器200，其具有包括处于例如低于10托的低压条件下的真空室在内的至少一个室202，所述室202与衬底220相通，通过诸如环形注射器、喷头或其他类型入口的端口206将试剂引入到所述衬底220处。还可以通过端口206或其他端口(未示出)引入诸如氩气、氦气或其他惰性气体的反应气体。所述至少一个线圈204布置在至少一个室202内，或者围绕至少一个室202或连接至至少一个室202的通道，其中与所述至少一个线圈204接触的部分表面(通常在所述至少一个线圈未被绝缘时)由介电材料形成。
所述的至少一个线圈连接于地和能量源(未示出)之间。将能量源提供的能量施加到所述的至少一个线圈204上，从而引起放电，即生成等离子体。这样，在室202内生成电感耦合等离子体250。通过电子撞击离解途径发生前驱体离解，从而生成活性物种流，其到达衬底220的表面，从而在衬底上实现涂层224的淀积。
ICP等离子体为非平衡等离子体，其中Te明显高于离子温度，例如，其中离子温度为0.1eV，而电子温度高于1eV。在所述的至少一个电气线圈204在至少一个室202内基本上处于环形结构的情况下，所形成的ICP的离子密度具有离轴的(不是沿着轴226的)高分布，其通常引起涂层224在衬底上具有离轴的高淀积轮廓，并且涂层224在厚度和密度上是非均匀的。具体来讲，涂层224的密度和厚度在围绕中心轴226的环形区域内增大。
图3示意性地示出了示范性ETP-ICP反应器的第一实施例，其配置来生成膨胀热等离子体并根据本发明对生成的ETP进行电感耦合。所述的ETP-ICP反应器300包括上游部分312和下游部分314，其中，上游部分312包括等离子体发生器316，下游部分314包括室318。所安装的衬底320与室318相连通，并且可以在室318内安装衬底320。ETP-ICP反应器300接收反应物和试剂中的至少一种，在ETP-ICP反应器300内部对其进行处理。
与图1所示的ETP反应器10类似，等离子体发生器316通过诸如环形注射器、喷嘴注射器、闪蒸器、喷头或其他类型入口的端口322接收诸如氩气、氦气、其他惰性气体、氮气和/或氢气的反应物。通过能量源321向等离子体发生器上施加能量。例如，所施加的能量可以是射频(RE)能量、微波、直流电流或电压、交流电流或电压的形式，从而在等离子体发生器316内部产生电弧和/或放电。所施加的能量可以是直流电流的形式，或者具有连续或脉冲的波形，其中，对诸如波形类型(正弦、方形、三角形、梯形等)、频率、占空比等波形参数进行选择，以获得预期的结果。电弧和/或放电作用于所述反应物，以产生等离子体。
在等离子体发生器316内保持适合产生热等离子体的压力。例如，保持压力接近大气压或保持压力为大气压，例如＞100托。在示范性的等离子体发生器中，热等离子体的离子和电子具有1eV的温度，电荷密度为1015cm-3。等离子体发生器316进一步设有喷嘴，热等离子体通过所述喷嘴离开所述等离子体发生器316，从而穿过入口324，之后进入室318。
ETP-ICP反应器300与图1中的ETP反应器10的区别在于室318设有电感耦合(IC)系统330。I/C系统330包括用于生成电磁力的设备，例如至少一个电气线圈；和用于激励所述设备的能量源，例如通过提供具有连续或脉冲波形的电能，其中，选择诸如波形类型(正弦、方形、三角形、梯形等)、频率、占空比等波形参数，以获得预期结果。
使室318保持在低于等离子体发生器316中所保持的压力，从而使热等离子体膨胀成膨胀热等离子体。在所提供的实例当中，保持室318内的压力为20-200毫托，则以超音速产生膨胀。在室318中，在膨胀爆音之后，ETP迅速冷却，电子和离子开始复合。在I/C ETP 350中，作为将电能电感耦合到膨胀热等离子体中的结果，Te的降低得小于图1所示的ETP反应器中的值，因此将大于0.1-0.3eV，电荷密度约为1012cm-3或更大。
将试剂通过诸如注射入口326的端口注入室318，从而通过在反应物离子和试剂之间的电荷交换和随后的离解复合反应，以及通过在电感加热电子和试剂之间的电子撞击离解反应引起离解的发生，所述试剂可以是由气体、液体和/或固体形成的材料，例如，硅烷、甲烷、其他碳氢化合物、碳氟化合物、碳氘化合物、氘化硅烷、乙醇、丙烯酸盐、环氧树脂、有机硅烷、氯代硅烷、氟代硅烷、氨基硅烷、有机硅酮、有机金属前驱体、金属氯化物、金属氟化物、水、氧气、氢气、氮气、氨气、二氧化碳、一氧化碳或上述材料的适当结合。
可以在室318内提供用于生成电磁力的设备，将其集成在室318的室壁之内或者设置在室318的室壁之外。例如，所述设备包括至少一个自由设置的绝缘电气线圈，其由绝缘底座支撑，集成在室318的室壁之内或者围绕室310的室壁缠绕。通常，与所述的至少一个线圈接触的室318的一部分室壁或其他表面由介电材料形成(尤其是在所述至少一个线圈未被绝缘时)。其他的室壁部分由介电或导电材料形成。
所述至少一个线圈的一端接地，另一端连接至能量源，例如RF/AC能量源332和RF/AC匹配网络333。将诸如电能或RF能的能量施加到所述的至少一个线圈上，从而在I/C ETP 350上引起电感耦合效应。通常，在运行于启动模式时，一旦热等离子体进入室318，就将能量施加到所述的至少一个线圈上，之后，随着热等离子体流入室318，将能量施加到所述设备上，虽然也可以采用其他能量施加定时方案。所施加的能量可以具有连续或脉冲的波形，其中，对诸如波形类型(正弦、方形、三角形、梯形等)、频率、占空比等波形参数进行选择，以获得预期的结果。
所述电感耦合效应引起前驱体通过电子撞击离解途径发生离解(除了在常规ETP中发生的电荷交换反应和后续的离解复合反应之外)，生成活性物种流，所述等离子体中的至少一部分电子的Te升高至较高的Te。一旦受到电感耦合的影响，I/C ETP 350变为非平衡等离子体，其中，离子温度和电子温度可能相对于彼此发生变化。
因此，Te不会完全受到离子温度的限制，而是能够升高，甚至是在离子温度未升高的时候。将能量施加到I/C系统330上改变电场，引起电子的移动，增大电子的动能并提高Te。较重的离子不会对变化的电场做出反应。因此，在不改变室318内离子的能级和温度的情况下，提高了室318内电子的动能和温度。
在常规ETP反应器中，热等离子体在室内迅速冷却，电子在膨胀的基础上损失能量，不能有效地产生电子撞击离解反应。此外，一旦开始复合，就会至少失去一部分电子和离子。在图3所示的设备当中，所添加的I/C系统的激励在不对更重的离子进行加热的情况下，引起了对电子的加热。从而产生了一个Te能谱，其包括较低的Te，例如近似等于0.1eV和大于1eV的较高Te。所生成的Te能谱通常包括0.3eV的Te，其对于产生更多的电子、离子以及由此得到的等离子体具有高度有用的特性。
分别通过离解复合途径和电子撞击离解途径产生第一组和第二组化学物种。离解产品随着膨胀被以高漂移速度传送，由此产生反应组分的传送流，所述化学组分到达衬底320的表面，从而在衬底320上淀积涂层334。
此外，热度的增大引起了电离的再次产生，从而导致了相对于仅有ETP的等离子体而言离子密度的增大。因此，Te的增大与所增大的离子密度成正比。此外，Te的增大提供了进行非平衡化学作用以及在低温衬底上进行高温化学作用的能力。
增大的Te的另一个优点在于在通过却尔特定律(Child′s Law)与I/C ETP350接触的衬底前方建立起了增大的屏极(sheath)电压，撞击衬底的离子在跨越这一屏极时由于电压增大将获得加速。因此，增大了离子加速和轰击能量，其增强了离子向衬底320的渗透和注入，从而在衬底320和淀积的涂层334之间形成混合界面，以便为涂层334提供与衬底320之间的更大的粘附力。如果在淀积过程中在涂层334中存在多孔开口，那么离子轰击将填充所述开口，从而产生更高密度的涂层。
在本发明的实施例中，I/C系统330的所述至少一个电气线圈包括至少一匝的至少一个线圈，其基本上呈环形基本上安装在室318的内部，用于对离子密度和淀积轮廓施加离轴的、基本上为环形的偏压，从而对淀积密度和厚度产生基本上为环形的偏置。所述至少一个电气线圈330的基本定位为通过I/C ETP 350获得的淀积轮廓的高斯分布提供了补偿。
以虚线示意性的示出了由仅为ETP的等离子体生成的涂层的淀积轮廓336(对应于图1所示的涂层34的淀积轮廓)和由仅为ICP的等离子体生成的涂层的淀积轮廓338(对应于图2所示的涂层224的淀积轮廓)。涂层334所具有的轮廓是由I/C ETP 350的高斯分布离子密度与I/C系统330的离轴高离子分布效应相结合产生的淀积轮廓。结合得到的涂层334的淀积轮廓基本上是均匀的，从而在衬底320上获得了密度和厚度基本上均匀的涂层334，如图3的示意性图解所示。
可以对ETP-ICP 300的参数进行选择和/或控制，以获得预期的涂层334的结合淀积轮廓，进而获得淀积均匀性。示范性参数，例如在文章“High-rateDeposition of Abrasion Resistant Coatings Using a Dual-source ExpandingThermal Plasma Reactor”(M.Schaepkens，S.Selezneva，P.Moeleker和C.D.Iacovangelo所著，J.Vac.Sci.Technol.A21(4)，Jul/Aug 2003)中描述的参数，包括下游工作压力、等离子体源和衬底之间的工作距离、进入膨胀氩等离子体束的前驱体流速和ETP源中阴极到阳极的距离。其他参数可以包括施加到I/C系统330的能量的数量和类型、I/C系统330的构造、I/C系统330的基本布局、线圈的数量和用于所述的至少一个线圈的缠绕。例如，匝数越大所产生的离子密度的变化越大，电子温度越高。
图4示出了ETP-ICP反应器400，其基本上与图3中所示的ETP-ICP反应器300相同，除了I/C系统430沿入口424定位以外，即，沿热等离子体的路径，并在热等离子体流入室318时与其邻近。也可以包括I/C系统330(未示出)。
I/C系统430包括例如至少一个线圈的用于生成电磁力的设备，以及用于激励所述设备的能量源。在所示的实施例中，所述至少一个线圈围绕入口424的外表面缠绕，使得等离子体在进入室318之前穿过所述至少一个线圈。可以在入口424之内进一步(或者仅在入口424以内)布置所述至少一个线圈430，例如在入口424内进行绝缘和定位和/或沿入口424的内壁缠绕。通常，入口424的一部分壁或与所述至少一个线圈接触的其他表面由介电材料形成(尤其是在所示的至少一个线圈未被绝缘时)。入口424的其他壁部分由介电或导电材料形成。
每个线圈的一端接地，另一端连接至能量源，例如RF/AC电源332和RF/AC匹配网络333。将电能或RF能量施加到所述至少一个线圈上，从而在I/C ETP 350上引起电感耦合效应。可以预见I/C系统430的其他构造。例如，可以在入口424内集成用于生成电磁力的设备。
对于在表面上淀积薄膜的多种应用而言，根据本公开由ETP-ICP反应器300和400形成的I/C ETP 350尤为有用，所述的各种应用包括汽车、运输、建筑玻璃替换、半导体、光电池、光学介质、平板显示器和照明工业中的表面上釉。可以采用ETP-ICP反应器的阵列，利用高密度等离子体获得均匀淀积轮廓，从而为由玻璃、金属、硅和塑料(包括聚碳酯类)形成的大表面区域提供均匀的功能涂层。可以施加到所述表面上的功能涂层的例子包括耐磨涂层、水汽和/或氧阻挡涂层、紫外线吸收涂层、红外反射涂层和/或其他透明光学涂层(例如，在400nm到700nm的范围内超过20％光透射率的涂层)。
可以将I/C ETP 350进一步用于其他应用，包括进行表面处理以对表面蚀刻、糙化、加热和/或清洁。在这一应用的某些情况下，不需要向膨胀电感耦合等离子体中注入试剂，但是可以采用电离反应气体替代。
本说明书中所描述的实施例的作用在于说明而非限定，也不是打算穷尽本发明的每一实施例。在不背离下述权利要求在字面上和在法律认可的等同特征中界定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修改和变化。
权利要求
1.一种等离子体生成系统(300)，包括用于生成热等离子体的等离子体生成设备(316)；处于所述等离子体生成设备(316)以外的等离子体处理室(318)，其接收来自等离子体生成设备(316)的热等离子体，并且，在生成等离子体的过程中，保持等离子体处理室(318)内的压力低于等离子体生成设备(316)中的压力，从而引起热等离子体在等离子体处理室(318)内部膨胀；以及用于对所述热等离子体进行电感耦合的电感系统(330，332，333)。
2.如权利要求1所述的系统，其中，将经膨胀和电感耦合的等离子体(350)在等离子体处理室(318)内导向衬底(320)的表面，从而在所述表面涂覆至少一个涂层(334)。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述电感系统(330，332，333)包括与所述热等离子体相邻的至少一个电气线圈(330)和用于激励所述至少一个电气线圈(330)的能量源(332，333)。
4.如权利要求3所述的系统，其中，所述至少一个电气线圈(330)以特定构造处于等离子体处理室(318)之内，从而为处于所述衬底(320)的表面上的至少一个涂层(334)生成与所述的特定构造相对应的特定淀积轮廓。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述的至少一个电气线圈(330)的特定构造是基本上为环形的构造。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述经膨胀和电感耦合的等离子体(350)用于处理表面，所述处理选自如下的处理所组成的集合蚀刻、粗糙化、加热、清洁和向表面施加涂层。
7.如权利要求1所述的系统，所述等离子体处理室(318)还包括用于接收与所述经膨胀和电感耦合的热等离子体(350)发生反应的试剂的端口(326)，以沿电子撞击离解路径和离解复合路径发生离解。
8.一种等离子体生成系统(300)，其包括用于生成等离子体的设备(316)；用于接收所生成的等离子体并为所生成的等离子体提供膨胀的设备(318)；以及用于对所生成的等离子体进行电感耦合的设备(330，332，333)；其中，用于接收的设备(318)和用于电感耦合的设备(330，332，333)一起将所生成的等离子体变成经膨胀和电感耦合的等离子体(350)。
9.如权利要求8所述的系统，其中，用于对所生成的等离子体进行电感耦合的设备(330，332，333)包括在所生成的等离子体附近的至少一个电气线圈(330)。
10.如权利要求8所述的系统，其中，所生成的等离子体为热等离子体。
全文摘要
本发明提供了一种等离子体生成系统(300)，其包括用于生成热等离子体的等离子体生成设备(316)；处于所述等离子体生成设备(316)外的等离子体处理室(318)，其用于接收来自等离子体生成设备(316)的热等离子体，并且，在生成等离子体的过程中，保持等离子体处理室(318)内的压力小于等离子体生成设备(316)中的压力，从而引起热等离子体在等离子体处理室(318)内膨胀；以及用于对所述热等离子体进行电感耦合的电感系统(330，332，333)。
文档编号H05H1/46GK1802723SQ200480015891
公开日2006年7月12日 申请日期2004年6月14日 优先权日2003年6月30日
发明者马克·谢普肯斯 申请人:通用电气公司