專(zhuān)利名稱(chēng)：微波諧振腔體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子回旋共振等離子體設(shè)備的部件，具體地說(shuō)就是一種微波諧振 腔體，用于為電子回旋共振等離子體設(shè)備提供微波電場(chǎng)。
背景技術(shù)：
電子回旋共振ECR等離子體具有工作氣壓低、密度高、離化率高、大面積 均勻、工藝設(shè)備簡(jiǎn)單、可穩(wěn)定運(yùn)行和參數(shù)易于控制等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)低溫高效無(wú) 污染的表面處理，在集成電路IC制造工藝中有著巨大的應(yīng)用潛力。ECR是指當(dāng)輸入的微波頻率O)等于電子回旋頻率C0ee時(shí)發(fā)生共振，微波能量耦合給電子，獲得能量的電子電離中性氣體分子產(chǎn)生放電的過(guò)程。通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)，使得在放電室的某一區(qū)域達(dá)到共振條件，這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為ECR區(qū)。當(dāng)微波頻率為2.45GHz時(shí)， 達(dá)到電子回旋共振的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為0.0875T。圖1給出了 ECR等離子體設(shè)備 的結(jié)構(gòu)示意圖。ECR等離子體設(shè)備一般由ECR等離子體源101、反應(yīng)室102、 樣品臺(tái)103、氣路系統(tǒng)104、真空系統(tǒng)105等構(gòu)成。微波諧振腔體是ECR等離子體設(shè)備的關(guān)鍵部件，其微波諧振模式、電磁性 質(zhì)、真空密封性和工作面積是ECR等離子體設(shè)備的重要參數(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)中大多 數(shù)微波電子回旋共振裝置的等離子體均勻性都不理想，其原因主要是微波電子 回旋共振多采用TE10模的2.45GHz的微波，經(jīng)過(guò)TE10模到TE11模的波形變 換器后轉(zhuǎn)換為T(mén)E11模后再經(jīng)微波窗片耦合進(jìn)圓柱形諧振腔，或直接經(jīng)波導(dǎo)窗耦 合進(jìn)圓柱形諧振腔變成TEll模。而TE10模和TE11模對(duì)應(yīng)的橫向電場(chǎng)都是不均 勻的，從而導(dǎo)致產(chǎn)生的等離子體的均勻性較差。同時(shí)現(xiàn)有技術(shù)中微波性質(zhì)與工作 面積是一對(duì)矛盾，即尺寸小的腔體，微波模式單一，電磁特性好，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)大 面積加工；加大腔體尺寸，雖可以增大加工尺寸，但微波性質(zhì)差，放電難以進(jìn)行， 嚴(yán)重時(shí)甚至可以造成窗口、腔體等部件打火損壞。此外，現(xiàn)有技術(shù)多數(shù)是通過(guò)將 微波諧振腔用點(diǎn)焊密封防止微波泄漏，拆卸維修十分不便。 發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種微波諧振腔體裝置，以提高微波電場(chǎng)分布的均勻 性，克服微波性質(zhì)與腔體加工尺寸的矛盾，且便于拆卸維修。 本發(fā)明的技術(shù)方案是采用波導(dǎo)一同軸變換器實(shí)現(xiàn)從矩形波導(dǎo)到同軸波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換；采用錐形同軸波
導(dǎo)管擴(kuò)大微波出口直徑，以便生成大口徑等離子體；用石英窗作為工藝室密封窗 及表面波傳輸?shù)拿浇椋徊捎枚罅魅ρb置防治微波泄漏；用法蘭盤(pán)實(shí)現(xiàn)同軸諧振腔 與工藝室的連接。整個(gè)腔體裝置包括同軸波導(dǎo)、介質(zhì)窗，其中，同軸波導(dǎo)采用圓 波導(dǎo)管和錐形波導(dǎo)管組成的一體結(jié)構(gòu)，該同軸波導(dǎo)下方固定有法蘭盤(pán)，法蘭盤(pán)上 固定有介質(zhì)窗，介質(zhì)窗上設(shè)有無(wú)磁托盤(pán)，該無(wú)磁托盤(pán)與同軸波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體之間通過(guò) 扼流圈連接。所述法蘭盤(pán)中間開(kāi)有圓形窗口，該窗口外側(cè)開(kāi)有密封槽。所述法蘭盤(pán)密封槽中設(shè)有密封圈，介質(zhì)窗放置在該密封槽上方，介質(zhì)窗和法 蘭盤(pán)內(nèi)壁之間設(shè)有固定橡膠圈。所述法蘭盤(pán)上外緣與同軸波導(dǎo)的外導(dǎo)體的下外緣通過(guò)螺紋連接，法蘭盤(pán)下外 緣與工藝室上外緣通過(guò)螺紋連接。所述無(wú)磁托盤(pán)上設(shè)有永磁磁鐵。所述錐形波導(dǎo)管的角度為45°。所述扼流圈為、'形圓環(huán)，該圓環(huán)橫邊和豎邊的邊長(zhǎng)之和為微波波長(zhǎng)的四 分之一，其豎邊底部固定在托盤(pán)上。本發(fā)明由于采用錐形同軸空腔型表面波腔體，因而利于產(chǎn)生大面積微波電磁 場(chǎng)分布和等離子體，從而在保證微波性質(zhì)的前提下可以有效提高等離子體設(shè)備的 大面積加工能力；同時(shí)由于釆用扼流圈裝置，防止了微波泄漏；此外，由于采用 法蘭盤(pán)、扼流圈、托盤(pán)的組合結(jié)構(gòu)，因此該微波諧振腔可以方便拆卸、易于維修。下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。


圖1是微波ECR等離子體設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是微波功率源及傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明扼流圈的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明的微波電場(chǎng)沿Z向場(chǎng)分布測(cè)試曲線圖；圖6為應(yīng)用本發(fā)明的ECR等離子體源的等離子體特性測(cè)試曲線圖。
具體實(shí)施方式
圖2給出了微波功率源及傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。該微波功率源及傳 俞系統(tǒng) 由微波發(fā)生器201、環(huán)流器202、水負(fù)載203、功率計(jì)204、定向耦合器205、銷(xiāo) 釘調(diào)配器206、短路活塞207、矩形波導(dǎo)管208、矩形一同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器209和 微波諧振腔同軸波導(dǎo)200組成。各部分的連接關(guān)系為矩形波導(dǎo)管208從左向右 依次分別與微波發(fā)生器201、環(huán)流器202、定向耦合器205、銷(xiāo)釘匹配器206、矩 形一同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器連接209、短路活塞207連接；環(huán)流器202的反射端連接水 負(fù)載203;功率計(jì)204與定向耦合器205連接；矩形一同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器209與微 波諧振腔同軸波導(dǎo)200連接。微波發(fā)生器201采用WY50002-1C型連續(xù)波磁控 管微波源，該功率源產(chǎn)生的微波經(jīng)環(huán)流器202、水負(fù)載203、功率計(jì)204、定向 耦合器205，銷(xiāo)釘調(diào)配器206及短路活塞207調(diào)節(jié)負(fù)載匹配及反射功率，由BJ-26 矩形波導(dǎo)208和矩形-同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器209輸送到微波諧振腔同軸波導(dǎo)200中。 該微波功率源及傳輸系統(tǒng)為微波諧振腔激發(fā)產(chǎn)生電場(chǎng)輸送能量。參照?qǐng)D3，本發(fā)明的諧振腔包括同軸波導(dǎo)200、介質(zhì)窗卯2，法蘭盤(pán)700，無(wú) 磁托盤(pán)600，扼流圈800。其中該同軸波導(dǎo)200是由圓波導(dǎo)管和錐形波導(dǎo)管組成的一體結(jié)構(gòu)，包括上圓波導(dǎo) 300、錐形波導(dǎo)500和下圓波導(dǎo)管400三段波導(dǎo)管，即由一個(gè)外徑為21mm的內(nèi) 導(dǎo)體和內(nèi)徑為49mm的外導(dǎo)體構(gòu)成的同軸波導(dǎo)管300以四十五度角擴(kuò)展成錐形管 500，和一個(gè)由外徑為304mm的內(nèi)導(dǎo)體和內(nèi)徑為344mm的外導(dǎo)體構(gòu)成的同軸波 導(dǎo)管400，以便生成大口徑微波電場(chǎng)。波導(dǎo)管采用不銹鋼材料，內(nèi)壁鍍有黃銅。該法蘭盤(pán)700中間開(kāi)有圓形窗口，該窗口上方外側(cè)開(kāi)有密封槽903。該密封 槽中設(shè)有密封圈，密封槽和密封圈保證了 ECR反應(yīng)室的真空度。法蘭盤(pán)的上外 緣與同軸波導(dǎo)外導(dǎo)體501的下外緣通過(guò)螺紋310連接，法蘭盤(pán)的下外緣與工藝室 的上外緣通過(guò)螺紋311連接，以便拆卸維修。法蘭盤(pán)用不銹鋼材料制成。該介質(zhì)窗卯2為釆用陶瓷或石英材料的圓板，其半徑大于法蘭盤(pán)圓形窗口半 徑和密封槽槽寬之和。該介質(zhì)窗放置在密封槽903上方，介質(zhì)窗和法蘭盤(pán)內(nèi)壁之 間通過(guò)固定橡膠圈901固定。該無(wú)磁托盤(pán)600放置在介質(zhì)窗上方，通過(guò)扼流圈800與同軸波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體502 固定，該無(wú)磁托盤(pán)上放置永磁磁鐵卯5。該扼流圈800為、，形圓環(huán)，如圖4所示，其橫邊401和豎邊402的邊長(zhǎng) 之和為微波波長(zhǎng)的四分之一，其豎邊底部通過(guò)點(diǎn)焊焊接在托盤(pán)600上，以防止微 波泄漏。與傳統(tǒng)的將托盤(pán)和同軸空腔焊接起來(lái)的結(jié)構(gòu)相比，可以方便地拆卸同軸 空腔和磁鐵以便維修。
維修拆卸時(shí)，首先拆除法蘭盤(pán)與錐形波導(dǎo)管外導(dǎo)體下緣之間的連接螺紋 310，然后將波導(dǎo)管向上垂直提起，最后將托盤(pán)、固定橡膠圈、介質(zhì)窗、密封圈依次取出。將上述各部件組合起來(lái)，形成微波諧振腔體，將該微波諧振腔體與真空工藝室通過(guò)法蘭盤(pán)連接即可實(shí)現(xiàn)ECR等離子體設(shè)備。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，本發(fā)明的固定橡膠圈901采用聚四氟乙烯橡膠，介 質(zhì)窗卯2采用A1203陶瓷材料。托盤(pán)600上面放置有由Nd-Fe-B永磁磁鐵卯5。 工藝室通入Ar氣作為工作氣體，氣壓為1.0Pa。其工作過(guò)程為微波功率源輸出 1000W的2.45GHz的微波，經(jīng)傳輸回路引入到諧振腔開(kāi)口面附近的固定橡膠圈 901和介質(zhì)窗902上，微波的輸運(yùn)由陶瓷窗902的外緣向中心移動(dòng)，從而在工藝 室一側(cè)的陶瓷窗表面激發(fā)表面波并形成均勻的電場(chǎng)分布，在此電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用 下，工藝室內(nèi)形成了均勻大口徑ECR等離子體。本發(fā)明的性能可通過(guò)以下測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步說(shuō)明。圖5給出的諧振腔微波電場(chǎng)沿著Z向分布曲線是在一個(gè)示范性實(shí)施例中采 用HP8753D矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量的ECR工藝室內(nèi)部的微波場(chǎng)分布。從圖中可以 看出，在工藝室內(nèi)部介質(zhì)窗正下方20 80mm之間電場(chǎng)均勻性?xún)?yōu)于80%。測(cè)量 結(jié)果表明，該腔體具有較理想的場(chǎng)型分布和諧振特性。圖6給出了用Langmuir探針測(cè)量在一個(gè)示范性實(shí)施例中采用該發(fā)明提供的 永磁磁場(chǎng)的ECR等離子體源的等離子體性質(zhì)典型的I-V特性曲線。由圖6計(jì)算 得到，該分布式永磁磁場(chǎng)ECR等離子體源的等離子體密度約為2.6X101Gcm'3， 等離子體電勢(shì)約為15V，電子溫度約為2.3eV，介質(zhì)窗正下方50mm處的等離子 體均勻性?xún)?yōu)于95%。
權(quán)利要求
1.一種微波諧振腔體，包括同軸波導(dǎo)、介質(zhì)窗，其特征在于同軸波導(dǎo)(200)采用圓波導(dǎo)管和錐形波導(dǎo)管組成的一體結(jié)構(gòu)，該同軸波導(dǎo)下方固定有法蘭盤(pán)(700)，法蘭盤(pán)上固定有介質(zhì)窗(902)，介質(zhì)窗上設(shè)有無(wú)磁托盤(pán)(600)，該無(wú)磁托盤(pán)與同軸波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體(502)之間通過(guò)扼流圈(800)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波諧振腔體，其特征在于法蘭盤(pán)(700)中間開(kāi) 有圓形窗口，該窗口外側(cè)開(kāi)有密封槽(903)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微波諧振腔體，其特征在于法蘭盤(pán)密封槽(903 ) 中設(shè)有密封圈，介質(zhì)窗(902)放置在密封槽上方，介質(zhì)窗和法蘭盤(pán)內(nèi)壁之間設(shè) 有固定橡膠圈(901)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微波諧振腔體，其特征在于法蘭盤(pán)的上外緣 與同軸波導(dǎo)的外導(dǎo)體(501)的下外緣通過(guò)螺紋連接，法蘭盤(pán)的下外緣與工藝室 的上外緣通過(guò)螺紋連接。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波諧振腔體，其特征在于無(wú)磁托盤(pán)(600)上設(shè)有永磁磁鐵(905)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波諧振腔體，其特征在于扼流圈(800)為、'形圓環(huán)，該圓環(huán)橫邊(401)和豎邊(402)的邊長(zhǎng)之和為微波波長(zhǎng)的四分之一， 其豎邊底部固定在無(wú)磁托盤(pán)(600)上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波諧振腔體，其特征在于同軸波導(dǎo)(200)采用 圓波導(dǎo)管和錐形波導(dǎo)管組成的一體結(jié)構(gòu)，由上圓波導(dǎo)(300)、錐形波導(dǎo)(500) 和下圓波導(dǎo)管(400)三段波導(dǎo)管組成。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的微波諧振腔體，其特征在于錐形波導(dǎo)(500)的角 度為45°。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種微波諧振腔體，該微波諧振腔包括同軸波導(dǎo)、介質(zhì)窗，其中，同軸波導(dǎo)200采用圓波導(dǎo)管和錐形波導(dǎo)管組成的一體結(jié)構(gòu)，該同軸波導(dǎo)下方固定有法蘭盤(pán)700，法蘭盤(pán)中間開(kāi)有圓形窗口，該窗口外側(cè)開(kāi)有密封槽903，密封槽中設(shè)有密封圈，密封圈上固定有介質(zhì)窗902，介質(zhì)窗和法蘭盤(pán)內(nèi)壁之間設(shè)有固定橡膠圈901，介質(zhì)窗上設(shè)有無(wú)磁托盤(pán)600，該無(wú)磁托盤(pán)與同軸波導(dǎo)內(nèi)導(dǎo)體502之間通過(guò)扼流圈800連接。法蘭盤(pán)上外緣與同軸波導(dǎo)的外導(dǎo)體的下外緣通過(guò)螺紋連接，法蘭盤(pán)下外緣與工藝室上外緣通過(guò)螺紋連接。本發(fā)明具有微波電場(chǎng)分布均勻、腔體加工尺寸大，拆卸維修方便的優(yōu)點(diǎn)，可用于為電子回旋共振等離子體設(shè)備提供微波電場(chǎng)。
文檔編號(hào)H05H1/46GK101127413SQ20071001852
公開(kāi)日2008年2月20日 申請(qǐng)日期2007年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月21日
發(fā)明者付俊興, 俞書(shū)樂(lè), 楊銀堂, 汪家友, 陳光族 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)