CN110856331A - 一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源，涉及半导体制造技术领域，包括射频天线、石英介质窗、感应屏蔽层、支撑结构、外屏蔽罩、匹配网络、射频电源，可消除射频感应天线与等离子体之间的残余容性耦合、调节天线电压分布，产生空间分布均匀、等离子体电位非常低的射频等离子体，具有较高的空间等离子体环境模拟稳定度，且该系统结构简单、可靠。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源。
背景技术
低温等离子体被广泛应用于空间等离子体环境模拟和航天器地面寿命与可靠性测试。等离子体的空间均匀性直接影响了模拟测试结果的可靠性和完整性，是一个非常重要的参数，需要通过对等离子体源的设计调节等离子体分布的空间均匀性。通常采用直流等离子体和微波电子回旋共振等离子体作为空间模拟装置的源，但这两种等离子体源目前已难以满足空间环境研究的需要。直流等离子体源难以产生大面积等离子体，能量效率低(<10％)、等离子体密度低(<108/m3)，并且等离子体电位较高(50V～200V)与实际空间环境中的等离子体参数不相符合；微波电子回旋共振等离子体源具有能量效率高、等离子体电位低的优点，但其产生机理要求必须使用电磁铁，电磁铁产生的强磁场(约875mT)使得等离子体沿着磁力线分布从而产生非常严重的空间不均匀性，并且与空间环境中的弱磁场条件不相符合。空间环境研究需要一种一到几米尺度内大面积均匀、等离子体电位低且能量效率高的等离子体源。
射频感应耦合等离子体之前广泛应用于半导体刻蚀沉积工艺中，可以满足半导体工业在16-20英寸尺度内的空间均匀性要求，射频功率耦合效率高，具有成为理想空间环境模拟等离子体源的潜力。通常的射频等离子体由螺旋渐开线形状的射频天线将射频功率耦合给等离子体，透过射频信号的介质窗为平板状。螺旋渐开线形状的射频天线设计导致等离子体空间分布不是中心轴对称均匀的，且射频感应电场在天线中间和外边缘较半径中部位置弱，导致等离子体空间分布不均匀性。同时，沿螺旋渐开线形状的射频天线上的电压分布不均匀，这些电压透过平板介质窗以直接容性耦合的形式耦合给等离子体，提高了等离子体的电位、产生电位射频振荡，最终也加剧了等离子体的空间分布不均匀。这种设计对于小于0.5米尺寸内的半导体刻蚀沉积应用是可以接受的，但在数米尺度的空间环境模拟装置中将产生显著的不可接受的等离子体分布不均匀。为了抑制渐开线射频天线带来的不均匀性，通常的射频等离子体带有梳齿状的金属条屏蔽层，这种结构在部分屏蔽天线与等离子体之间的容性耦合的同时由于宽大的金属条中产生射频涡流消耗了大量的射频功率转化为大量的热量，造成热不稳定性并降低源的效率。
等离子体的空间均匀性直接影响了模拟测试结果的可靠性和完整性，是一个非常重要的参数，需要通过对等离子体源的设计调节等离子体分布的空间均匀性。空间环境研究需要一种一到几米尺度内大面积均匀、等离子体电位低且能量效率高的等离子体源，李树瑜等人在《射频等离子体源》中提出一种射频等离子体源，主要将射频电源和射频自动匹配器集成于一体，减少了设备的体积和连线，并未通过设计提高射频等离子体源的效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是一种均匀射频等离子体源，该装置可消除射频感应天线与等离子体之间的残余容性耦合、调节天线电压分布，产生空间分布均匀、等离子体电位非常低的射频等离子体，具有较高的空间等离子体环境模拟稳定度，且该系统结构简单、可靠。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案
一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源，包含射频天线，由一系列同心圆结构的同心圆线圈与线圈之间的可调电容组成，用于将射频功率耦合于等离子体，实现对射频天线的电压分布调节；
石英介质窗，采用上下不对称圆盘状结构石英介质窗，用于调节射频天线与等离子体之间的耦合阻抗，降低由于射频电压直接容性耦合等离子体造成的径向不均匀性；
感应屏蔽层，采用长短丝感应屏蔽层，用于解决已有梳齿状屏蔽层感应涡流热损耗，实现射频电压的屏蔽；
支撑结构，用于分离并支撑射频天线、石英介质窗和感应屏蔽层；
外屏蔽罩，用于给射频天线、石英介质窗、感应屏蔽层、支撑结构包裹防止射频功率信号辐射的金属罩。
作为本发明一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源的进一步优选方案，还包含匹配网络、射频电源，所述射频电源通过匹配网络连接射频天线。
作为本发明一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源的进一步优选方案，所述长短丝感应屏蔽层由两组不同长度沿径向均匀分布的金属丝和外边缘连接片组成的圆片状导电金属层，其中，两组不同长度沿径向均匀分布的金属丝为长屏蔽丝和短屏蔽丝。
作为本发明一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源的进一步优选方案，射频天线采用空间轴对称的射频耦合模式将射频功率耦合于等离子体，通过同心圆结构的线圈实现射频功率均匀对称地耦合入等离子体。
作为本发明一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源的进一步优选方案，通过线圈之间的可调电容降低同心圆线圈的电抗，提高射频功率的耦合效率并为射频串联谐振功率耦合效率最高点提供条件；
设同心圆线圈的阻抗为ZL＝R+jωL；
其中，ZL是同心圆线圈的阻抗，R是线圈电阻，L是线圈电感值，j是虚数单位，ω是交流发电机运转的角速度；
线圈之间的电容阻抗为ZC＝-j(ωC)-1，其中，ZC是线圈之间的电容阻抗，C是电容，则整个射频感应线圈的总阻抗为Z＝R+jωL-j(ωC)-1，可见电容阻抗ZC的存在降低了总阻抗Z的电抗部分，并且当ωL＝(ωC)-1时达到串联谐振，此时射频耦合效率为最高。
作为本发明一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源的进一步优选方案，通过调节线圈之间的可调电容可改变各同心圆线圈上的射频电压，实现均匀的电压分布进而减少感应天线与等离子体之间电容耦合带来的径向不均匀性；
设各同心圆线圈的阻抗为ZLn，其中，n＝1、2、3……，线圈之间的各电容阻抗为ZCn，则某个线圈上的射频电压Vn＝Vrf ZLn/(ΣZLn+ΣZCn)，其中，Vrf为总射频电压，调节ZCn即可改变Vn。
作为本发明一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源的进一步优选方案，通过切断涡流回路的丝状感应屏蔽层解决了已有梳齿状屏蔽层感应涡流热损耗难题，并且长短丝组合的设计有效实现射频电压的屏蔽；
设在屏蔽层上半径为r的局域圆形区域内产生了射频感应涡流，根据电磁感应定律有2πrE＝-πr2dB/dt；其中，E为涡流电场强度，B为射频感应磁场，可见区域尺寸r越小相同射频感应磁场下产生的涡流电场越弱，而丝状感应屏蔽层的设计可最大限度地降低涡流区域的尺寸，减少涡流热损耗，抑制热不稳定性并提高射频功率利用效率。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明公开的的射频等离子体源，可消除射频感应天线与等离子体之间的残余容性耦合、调节天线电压分布，产生空间分布均匀、等离子体电位非常低的射频等离子体，具有较高的空间等离子体环境模拟稳定度，且该系统结构简单、可靠；
2、本发明公开的的射频等离子体源可实施用于准确模拟空间等离子体环境、航天器寿命测试和失效验证，服务于国防和商业航天飞行任务，成为一种军民两用的关键设备；
3、本发明公开的射频等离子体源的大面积均匀等离子体源是由半导体生产采用的ICP等离子体源改良而来，整体设计符合半导体生产制程的真空度、洁净度要求，可应用于目前工业生产亟需的大面积半导体芯片刻蚀工艺流程和大尺寸平板显示屏幕涂层沉积工艺，在半导体制造工业也有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明射频等离子体源结构图；
图2是本发明射频天线的结构示意图；
图3是本发明感应屏蔽网的结构示意图。
图中标号具体如下：110-射频天线、120-石英介质窗、130-感应屏蔽层、140-支撑结构和、150-外屏蔽罩、160-匹配网络、170-射频电源、180-均匀等离子体、210-同心圆线圈、220-可调电容、310-长屏蔽丝、320-短屏蔽丝、330-外边缘连接片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源，如图1所示，包含射频天线110，由一系列同心圆结构的同心圆线圈210与线圈之间的可调电容220组成，用于将射频功率耦合于等离子体，实现对射频天线的电压分布调节；
石英介质窗120，采用上下不对称圆盘状结构石英介质窗，用于调节射频天线与等离子体之间的耦合阻抗，降低由于射频电压直接容性耦合等离子体造成的径向不均匀性；
感应屏蔽层130，采用长短丝感应屏蔽层，用于解决已有梳齿状屏蔽层感应涡流热损耗，实现射频电压的屏蔽；
支撑结构140，用于分离并支撑射频天线、石英介质窗和感应屏蔽层；
外屏蔽罩150，用于给射频天线、石英介质窗、感应屏蔽层、支撑结构包裹防止射频功率信号辐射的金属罩。
作为本发明一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源的进一步优选方案，还包含匹配网络160、射频电源170，所述射频电源通过匹配网络连接射频天线110。
作为本发明一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源的进一步优选方案，所述长短丝感应屏蔽层130由两组不同长度沿径向均匀分布的金属丝和外边缘连接片330组成的圆片状导电金属层，其中，两组不同长度沿径向均匀分布的金属丝为长屏蔽丝310和短屏蔽丝320。
作为本发明一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源的进一步优选方案，射频天线采用空间轴对称的射频耦合模式将射频功率耦合于等离子体，通过同心圆结构的线圈实现射频功率均匀对称地耦合入等离子体。
作为本发明一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源的进一步优选方案，通过线圈之间的可调电容降低同心圆线圈的电抗，提高射频功率的耦合效率并为射频串联谐振功率耦合效率最高点提供条件；
设同心圆线圈的阻抗为ZL＝R+jωL；
其中，ZL是同心圆线圈的阻抗，R是线圈电阻，L是线圈电感值，j是虚数单位，ω是交流发电机运转的角速度；
线圈之间的电容阻抗为ZC＝-j(ωC)-1，其中，ZC是线圈之间的电容阻抗，C是电容，则整个射频感应线圈的总阻抗为Z＝R+jωL-j(ωC)-1，可见电容阻抗ZC的存在降低了总阻抗Z的电抗部分，并且当ωL＝(ωC)-1时达到串联谐振，此时射频耦合效率为最高。
作为本发明一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源的进一步优选方案，通过调节线圈之间的可调电容可改变各同心圆线圈上的射频电压，实现均匀的电压分布进而减少感应天线与等离子体之间电容耦合带来的径向不均匀性；
设各同心圆线圈的阻抗为ZLn，其中，n＝1、2、3……，线圈之间的各电容阻抗为ZCn，则某个线圈上的射频电压Vn＝Vrf ZLn/(ΣZLn+ΣZCn)，其中，Vrf为总射频电压，调节ZCn即可改变Vn。
作为本发明一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源的进一步优选方案，通过切断涡流回路的丝状感应屏蔽层(例如长短丝感应屏蔽层)解决了已有梳齿状屏蔽层感应涡流热损耗难题，并且长短丝组合的设计有效实现射频电压的屏蔽；
设在屏蔽层上半径为r的局域圆形区域内产生了射频感应涡流，根据电磁感应定律有2πrE＝-πr2dB/dt；其中，E为涡流电场强度，B为射频感应磁场，可见区域尺寸r越小相同射频感应磁场下产生的涡流电场越弱，而丝状感应屏蔽层的设计可最大限度地降低涡流区域的尺寸，减少涡流热损耗，抑制热不稳定性并提高射频功率利用效率。
Claims (7)
1.一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源，其特征在于：包含射频天线，由一系列同心圆结构的同心圆线圈(210)与线圈之间的可调电容(220)组成，用于将射频功率耦合于等离子体，实现对射频天线的电压分布调节；
石英介质窗，采用上下不对称圆盘状结构石英介质窗，用于调节射频天线与等离子体之间的耦合阻抗，降低由于射频电压直接容性耦合等离子体造成的径向不均匀性；
感应屏蔽层，由长短丝感应屏蔽层构成，以屏蔽射频电压；
支撑结构，用于分离并支撑射频天线、石英介质窗和感应屏蔽层；
外屏蔽罩，用于给射频天线、石英介质窗、感应屏蔽层、支撑结构包裹防止射频功率信号辐射的金属罩。
2.根据权利要求1所述的一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源，其特征在于：还包含匹配网络、射频电源，所述射频电源通过匹配网络连接射频天线。
3.根据权利要求1所述的一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源，其特征在于：所述长短丝感应屏蔽层由两组不同长度沿径向均匀分布的金属丝和外边缘连接片(330)组成的圆片状导电金属层，其中，两组不同长度沿径向均匀分布的金属丝为长屏蔽丝(310)和短屏蔽丝(320)。
4.根据权利要求1所述的一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源，其特征在于：射频天线采用空间轴对称的射频耦合模式将射频功率耦合于等离子体，通过同心圆结构的线圈实现射频功率均对称地耦合入等离子体。
5.根据权利要求4所述的一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源，其特征在于：通过线圈之间的可调电容(220)降低同心圆线圈(210)的电抗，提高射频功率的耦合效率并为射频串联谐振功率耦合效率最高点提供条件；
设同心圆线圈的阻抗为ZL＝R+jωL；
其中，ZL是同心圆线圈的阻抗，R是线圈电阻，L是线圈电感值，j是虚数单位，ω是交流发电机运转的角速度；
线圈之间的电容阻抗为ZC＝-j(ωC)-1，其中，ZC是线圈之间的电容阻抗，C是电容，则整个射频感应线圈的总阻抗为Z＝R+jωL-j(ωC)-1，由此通过电容阻抗ZC降低总阻抗Z的电抗部分，并且当ωL＝(ωC)-1时达到串联谐振，此时射频耦合效率为最高。
6.根据权利要求5所述的一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源，其特征在于：通过调节线圈之间的可调电容(220)可改变各同心圆线圈上的射频电压，实现均匀的电压分布进而减少感应天线与等离子体之间电容耦合带来的径向不均匀性；
设各同心圆线圈的阻抗为ZLn，其中，n＝1、2、3……，线圈之间的各电容阻抗为ZCn，则
某个线圈上的射频电压Vn＝Vrf ZLn/(ΣZLn+ΣZCn)，其中，Vrf为总射频电压，调节ZCn即可改变Vn。
7.根据权利要求3所述的一种用于空间等离子体环境模拟的均匀射频等离子体源，其特征在于：通过所述长短丝感应屏蔽层使涡流区域的半径尺寸变小。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200228 |