用于产生离子和游离基的系统和方法

专利名称：用于产生离子和游离基的系统和方法
技术领域：
本发明涉及用于产生包括较低能量离子和游离基的离子和游离基的系统 和方法。具体地，但不限于此，本发明涉及用于产生可用于表面处理、薄膜沉 积、电荷去除、清洗和其他工艺中的离子和游离基。
背景技术：
离子源常用于多种工业中。例如，离子源常用于在薄膜沉积的准备中预处 理诸如聚合物衬底的表面。离子源还用于在等离子体沉积工艺期间改变薄膜的
化学过程(chemistry)。另外地，离子源可用于从薄膜去除堆积的电荷或清洁表面。
离子源可以从各种销售商购买并在现有技术中为公知的。但这些离子源典 型地具有多个缺点。一个缺点在于直线离子源非常昂贵并且对于许多用途非常 复杂。实际上，可能受益于离子源的许多应用由于高成本而放弃了其使用。另 一缺点在于现有的离子源趋于产生具有太高能量的离子。一些离子源产生具有 大于120eV能量的离子。在许多应用中，具有所述高能量的离子可能损伤正 在处理的表面或损伤正在沉积的薄膜。
虽然本发明的离子源是功能性的，但它们不实现需求的离子源的所有要 求。因此，需要一种解决现有技术的缺点并提供其他全新特点的系统和方法。

发明内容
以下概述了在附图中所示的本发明的示例性实施方式。在具体实施方式
部 分将更详细描述这些和其他实施方式。然而，应当理解不意在限定本发明于本 发明的发明内容中或具体实施方式
中所述的形式。本领域的技术人员可认识到 可以有多种改进、等同物和替代构造落入如权利要求书所表达的本发明的精神 和范围内。
本发明可提供一种产生离子的系统和方法。一个实施方式包括具有放电腔
室的外部电极；在该放电腔室内定位的内部电极，该内部电极定位形成放电腔 室的上部分以及放电腔室的下部分；以及定位在放电腔室的下部分的进气口； 其中在放电腔室的下部分内形成的等离子体提供可用于在放电腔室的上部分
中形成等离子体的激发粒子(primingparticle)。


通过结合附图参照以下的具体实施方式
和所附的权利要求书，本发明的各 种目的和优点以及更完全的理解是显而易见的并更容易理解，其中
图1示出了根据本发明的一个实施方式用于预处理表面的工艺腔室；
图2示出了根据本发明的一个实施方式的离子源；
图3示出了根据本发明的另一实施方式的离子源；
图4示出了根据本发明的一个实施方式的离子源的截面图5示出了根据本发明的另一实施方式的离子源的截面图6示出了根据本发明的一个实施方式的离子源的剖面截面图7示出了根据本发明的离子源和气体屏蔽；
图8示出了根据本发明的一个实施方式的离子源和气体屏蔽的截面图； 图9示出了根据本发明的具有网格的气体屏蔽的截面图IOA和图IOB示出了根据本发明的一个实施方式的使用磁铁增强的离子源。
具体实施例方式
现参照附图，其中在全部视图中使用相同的附图标记表示类似或相似的元
件，以及具体地参照图l，其示出了用于预处理衬底105的工艺腔室100。该 实施方式包括工艺腔室100、直线离子源110、衬底支架115和衬底105。诸 如电源和进气口的数个其他部件没有示出。但是本领域的技术人员将认识到这 些部件如何与所示的全新部件相互作用。
在操作中，将支持气体导入离子源110或靠近离子源110处。该离子源 110与电源连接。典型地，电源为AC、 RF或微波电源。施加给离子源110的 功率在离子源110中及其周围产生等离子体。该等离子体包含部分电离的气 体，该气体包括较大浓度的受激原子、分子、离子和自由基物质。这些粒子撞
击衬底105，并根据所采用的工艺清洗衬底、粗糙化或去除过量的电荷。
支持气体的激发典型地通过将包围在工艺腔室中的气体经过由电源产生 的电场而实现。自由电子从施加的电场而获得能量并与中性气体原子撞击，从 而离子化这些原子并把支持气体分成几部分而形成许多反应性物种。这些受激 的物种与在或靠近等离子体定位的固体表面的相互作用导致材料表面的化学 和物理改性。
等离子体对所给材料的影响由表面和等离子体中存在的活性物种之间的化 学反应来决定。在低暴露能量下，等离子体表面相互作用清洁或改变材料的表 面。该效应限制于仅数个分子层深的区域并且不会改变衬底的整个属性。所得 的表面变化依赖于表面的成分、使用的气体、能量和能量密度。用于聚合物的 等离子体处理的气体或气体混合物可包括空气、氮气、氩、氧气、 一氧化二氮、 氦、水蒸气、二氧化碳、甲垸或氨。每种气体产生唯一的等离子体成分并导致 不同表面属性。例如，表面能可通过等离子体诱发的氧化、氮化或氢化而非常 快速并有效地增加。
取决于聚合物和源气体的化学过程，表面中的分子成分取代可使聚合物可 湿性或完全不可湿性。特定类型的取代原子或基团确定特定的表面势。对于任 何气体成分，三个竞争表面处理同时改变表面，每个工艺的改变程度取决于化
学过程和工艺变量烧蚀(ablate)、交联和激活。
烧蚀类似于蒸发工艺。在该工艺中，通过高能粒子和辐射对聚合物表面的 轰击破坏聚合物主链的共价键，从而生成较低分子量的聚合物链。只要分子组 分变得更短，挥发性低聚物和单体副产物蒸发(烧蚀)并利用真空泵排气装置 除去。
交联利用惰性工艺气体(氩或氦)而实现。在聚合物表面上发生键破坏， 但由于没有自由基清除剂，可与不同链上的相邻自由基形成键(交联)。
激活是表面聚合物官能团由来自等离子体的不同原子或化学基团取代的 工艺。由于烧蚀，暴露于高能物种的表面吸引氢或破坏聚合物的主链，从而生 成自由基。另外，等离子体含有甚高能量的UV辐射。该UV能量在聚合物表 面上产生额外的类似自由基。热不稳定的自由基，快速地与聚合物主链自身或 与表面上存在的其他自由基物种反应以形成稳定的共价键原子或更复杂的基 团。衬底的等离子体处理可增加衬底表面的可湿性，从而改善正在生长的薄膜
对衬底的粘附性。
现参照图2，其示出了根据本发明的离子源120的俯视图。该离子源120 可用于如图1所示的表面处理，或其可用于其他目的——包括薄膜化学改性和 电荷去除。该离子源120包括电极125、电极130和放电腔室135以及功率源 140。该离子源120在放电腔室135中产生高密度等离子体，从而产生离子和 游离基。电极125和电极130有时称为外部电极和内部电极。在特定的实施方 式中，该两个电极上的电荷可转换。
部分原因在于放电腔室135底部的内部分的等离子体放电容积的存在，因 此离子源120可在低于2毫托(mT)和上达100毫托的压力下操作。(腔室 的不同部分在图4中更详细示出。)该部分等离子体为放电腔室135的上部 分提供激发粒子。使用这些激发粒子，在放电腔室135的上部分形成等离子体， 其中存在增加的电场。将该等离子体会聚成致密的区域，从而增加局部等离子 体密度。
该类型的直线离子源120可在用于均匀表面处理的曲率轴中伴随弯曲衬 底，并具有上达2-3米或以上的长度。该离子源可用于静态和动态涂覆系统和 净化。另外，该离子源可用于提供具有小于5eV能量的离子，并且可通过改 变输送给电极的功率和任何偏压而校准离子源以提供具有更高能量的离子。
现参照图3，其示出了根据本发明的离子源145的替代实施方式。在该离 子源145中，电极150被绝缘体155分为两个电性隔离的部分。为了产生所需 的等离子体，对阴极160电性偏置170，以及将主功率165施加给电极150。 电极部分，例如，可与AC电源、RF电源或微波电源连接。
该实施方式可用于在完成涂覆之后从网格衬底(web substrate)的表面去 除堆积的负电荷。在该实施方式中，中心电极可由碳纤维材料组成，其趋于在 高频率下均匀放电以减小局部机械公差的影响并具有对于等离子体的较低溅 射产量。
现参照图4，其示出了根据本发明的一个实施方式构造的离子源175的截 面图。该视图更好的示出了下部放电腔室180。另外地，该视图示出了在离子 源底部的进气口 185。
典型地，进气口 185贯穿离子源175的长度或全部长度并将气体导入放电 腔室180的底部内呈近似均匀分布。进入底部区域中的气流是在其最大量并导
致最高压力——其与高电场耦合将促使低的击穿电压以及一旦发生击穿将保 持低密度放电。
放电腔室180包括底部195和上部190。由于气体导入放电腔室180的底 部195中，因此等离子体最初在放电腔室180的该部分中形成。该等离子体产 生激发粒子，其有助于在放电腔室180的上部190中激发等离子体。上部中的 等离子体提供用于表面处理、薄膜沉积和其他工艺的离子。
现参照图5，其示出了离子源200的另一实施方式。该实施方式除了形状 外类似于其他实施方式。在该实施方式中，电极205为八角形，以及放电腔室 210为相似形状。其他实施方式包括圆形电极、方形阳极、矩形阳极、椭圆阳 极等。放电腔室可与阳极的形状相配或可为不规则形状。不规则形状的放电腔 室可用于增加放电腔室的特定部分的容积。
在该实施方式中，阳极在放电腔室210内偏移。g卩，阳极不是在放电腔室 210内居中。取代地，定位阳极205从而放电腔室210的底部包括比放电腔室 210的上部更多的容积。注意，阳极205在放电腔室210的上部中形成节距点 (pinch point) 215。这些节距点215有助于将气体保持在放电腔室210的底部 中，从而增加放电腔室210的底部的气压。
电极225的边沿(lip) 220还可为波状形(contoured)或成锥形(tapered) 以成形节距点。在图5中，成形电极225从而产生窄节距点215。节距点215 以上的区域张开以能使等离子体充满更多的容积。节距点还可用于增加电场强 度。
图6示出了图5中所示的离子源200的不同视图。该剖面视图示出了位于 阳极205和电极的底部225之间的进气口 230。
现参照图7和图8，它们示出了位于气体屏蔽240内的离子源235。该离 子源可为在此所述的任意类型。
现参照图9，其示出了具有网格245的气体屏蔽240，其用于致能并引出 来自利用离子源产生的等离子体的离子。网格245还可用于控制从离子源引出 的任何离子的方向。为了清晰起见，实际的离子源没有包括于该视图中。
在该实施方式中，在气体屏蔽240中不需要源转向(turnaround)。由于 端部没有磁性关闭，因此该配置允许使用单个或多个槽部放电，为了正常运行， 仅覆盖端部以在源中的不同等离子体放电区域中维持分压差。
现参照图IOA和图IOB，它们示出了利用磁铁255增强的离子源250。磁 铁有助于增加电子从阳极到阴极运动的平均自由程。通过增加平均自由程，电 子具有更大可能性使导入至离子源中的支持气体离子化并分成几部分。图10A 示出了具有周期性隔开的磁铁的实施方式，以及图10B示出了具有近似全部 长度磁铁的实施方式。
因此，除其他之外，本发明提供了一种用于生成可用于动态和静态工艺的 离子以获得聚合物衬底表面改性、在低形成能量动力学限制的薄膜生长应用中 的离子辅助沉积、衬底的等离子体净化的结果，以及可用于从带电衬底的表面 和网格涂层去除堆积的电荷。本领域的技术人员可容易认识到对本发明、其使 用和其配置可以做出各种变型和替代以获得基本上与通过在此所述的实施方 式获得的相同结果。因此，不意在限定本发明于所公开的示例性形式。许多变 型、改进和替代构造落入如权利要求书表达的所公开的本发明的精神和范围 内。
权利要求
1.一种用于产生离子的系统，该系统包括具有放电腔室的外部电极；在所述放电腔室内定位的内部电极，所述内部电极定位形成所述放电腔室的上部分以及所述放电腔室的下部分；以及定位在所述放电腔室的下部分中的进气口；其中在所述放电腔室的下部分内形成的等离子体提供用于在所述放电腔室的上部分中形成等离子体的激发粒子。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述内部电极在所述放电 腔室内偏移以从而增加所述放电腔室的下部分的容积。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述内部电极为圆柱形。
4. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述放电腔室为圆柱形。
5. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述放电腔室为不规则形状。
6. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述内部电极具有多边形 截面。
7. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述外部电极包括锥形边沿。
8. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述锥形边沿在所述锥形 边沿和所述内部电极之间形成节距点。
9. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述外部电极包括第一部 分和第二部分以及其中所述第一部分和所述第二部分电绝缘。
10. 根据权利要求9所述的系统，其特征在于，进一步包括将所述外部电 极的第一部分与所述外部电极的第二部分隔离的绝缘体。
11. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括气体屏蔽，其 中所述外部电极定位在所述气体屏蔽内。
12. 根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述气体屏蔽包括开口 部分，所述系统进一步包括在所述气体屏蔽的整个开口部分上定位的细丝。
全文摘要
本发明公开了一种用于产生电子和离子的系统和方法。一个实施方式包括具有放电腔室的外部电极；在所述放电腔室内定位的内部电极，所述内部电极定位形成所述放电腔室的上部分以及所述放电腔室的下部分；以及定位在所述放电腔室的下部分的进气口；其中在所述放电腔室的下部分内形成的等离子体提供可用于在所述放电腔室的上部分中形成等离子体的激发粒子。
文档编号H05H1/24GK101179897SQ200710145640
公开日2008年5月14日 申请日期2007年9月6日 优先权日2006年11月9日
发明者汉斯-格奥尔格·洛兹, 沃尔克·哈克, 贡特尔·克莱姆, 迈克尔·W·斯托厄尔 申请人:应用材料股份有限公司