[发明专利]一种等离子密度可调的离子源装置

说明书

本发明公开了一种等离子密度可调的离子源装置，包括从内至外依次同轴设置的放电腔、螺旋线圈和离子源腔；放电腔的外壁面上设置有金属箔，金属箔能够屏蔽放电腔的内边缘磁场强度，中和趋肤效应所造成的等离子体密度偏高，使得放电腔内等离子体密度分布均匀。金属箔的宽度W取值范围为1~20mm，金属箔的厚度T取值范围为0.1mm~t，其中，t为趋肤深度；根据放电腔中的边缘等离子体密度和中心区域等离子体密度的差异性，选择金属箔的厚度T和表面积。本发明通过在放电腔外增加法拉第结构，并对法拉第结构进行功率分配，针对不同工况进行等离子体密度调节，从而有效改善刻蚀均匀性。

技术领域

本发明涉及离子束刻蚀领域，特别是一种等离子密度可调的离子源装置。

背景技术

离子束刻蚀是可用于刻蚀加工各种金属（Ni、Cu、Au、Al、Pb、Pt、Ti等）及其合金，以及非金属、氧化物、氮化物、碳化物、半导体、聚合物、陶瓷、红外和超导等材料。原理上是利用辉光放电原理将氩气分解为氩离子，氩离子经过阳极电场的加速对样品表面进行物理轰击，以达到刻蚀的作用。刻蚀过程即把Ar气充入离子源放电室并使其电离形成等离子体，然后由栅极将离子呈束状引出并加速，具有一定能量的离子束进入工作室，射向固体表面轰击固体表面原子，使材料原子发生溅射，达到刻蚀目的，属纯物理刻蚀。由于离子不是由辉光放电产生，而是由独立的离子源发射出惰性气体离子并经电场加速后再进入放入样品的真空室，离子束源与样品室的真空度可分别达到各自的最佳状态，膜的纯度很高。

离子源是将中性原子或分子电离并从中提取离子束流的设备，离子源的优劣直接影响刻蚀性能，现有的离子源主要包括考夫曼离子源、射频离子源、ECR离子源和End Hall离子源，其中，射频离子源由于具有高密度、无污染、易维护和长寿命等优点被广泛用于离子束刻蚀、材料表面改性和薄膜加工等领域，其原理是工作原理为：当放置在介质窗上的射频线圈中流入一定的射频电流，在放电室中感应产生感应射频电场，感应电场会加速电子运动，使之不断与中性气体分子碰撞电离，从而将感应线圈中的射频能量耦合到电离的气体中维持等离子体放电。大部分由射频放电产生的离子经栅极系统引出形成离子束，射频离子源具有无极放电，工作长时间稳定、均匀区大、离子束密可以精确控制、污染小等特点，在离子束刻蚀过程中得到广泛应用。

现有离子源在使用过程中线圈在通电时，在其趋肤层内，等离子密度最高，在趋肤层外的区域，等离子体密度逐渐衰减，在低压条件下，放电腔内等离子体密度多呈抛物线分布，随电流增加，边缘趋肤效应增强，放电腔内的等离子体密度分布一般呈现马鞍形分布，放电腔内等离子体密度中心和边缘分布不均，见图1和图2所示。现有方式是采用屏栅上开不同规格的孔径来解决这一问题，但是只能针对某些工况进行改善，无法进行多工况调节，影响刻蚀均匀性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种等离子密度可调的离子源装置，该等离子密度可调的离子源装置通过在放电腔外增加法拉第结构，并对法拉第结构进行功率分配，针对不同工况进行等离子体密度调节，从而有效改善刻蚀均匀性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种等离子密度可调的离子源装置，包括从内至外依次同轴设置的放电腔、螺旋线圈和离子源腔；放电腔的外壁面上设置有金属箔，金属箔能够屏蔽放电腔的内边缘磁场强度，中和趋肤效应所造成的等离子体密度偏高，使得放电腔内等离子体密度分布均匀。

金属箔的宽度W取值范围为1~20mm，金属箔的厚度T取值范围为0.1mm~t，其中，t为螺旋线圈的趋肤深度。根据放电腔中的边缘等离子体密度和中心区域等离子体密度的差异性，选择金属箔的厚度T和表面积。

当边缘等离子体密度高于中心区域3%以上时，应增大金属箔的厚度T或表面积，增加金属箔的屏蔽效能，降低边缘等离子体密度；当边缘等离子体密度高于中心区域等离子体密度的3%及以下，则减小金属箔的厚度或表面积，降低屏蔽效能，避免边缘区等离子体密度低于中心区域密度。

金属箔呈环形，在放电腔外壁面上沿轴向布设。