專利名稱：用于產(chǎn)生離子和游離基的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生包括較低能量離子和游離基的離子和游離基的系統(tǒng) 和方法。具體地，但不限于此，本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生可用于表面處理、薄膜沉 積、電荷去除、清洗和其他工藝中的離子和游離基。
背景技術(shù)：
離子源常用于多種工業(yè)中。例如，離子源常用于在薄膜沉積的準(zhǔn)備中預(yù)處 理諸如聚合物襯底的表面。離子源還用于在等離子體沉積工藝期間改變薄膜的
化學(xué)過(guò)程(chemistry)。另外地，離子源可用于從薄膜去除堆積的電荷或清潔表面。
離子源可以從各種銷售商購(gòu)買并在現(xiàn)有技術(shù)中為公知的。但這些離子源典 型地具有多個(gè)缺點(diǎn)。一個(gè)缺點(diǎn)在于直線離子源非常昂貴并且對(duì)于許多用途非常 復(fù)雜。實(shí)際上，可能受益于離子源的許多應(yīng)用由于高成本而放棄了其使用。另 一缺點(diǎn)在于現(xiàn)有的離子源趨于產(chǎn)生具有太高能量的離子。一些離子源產(chǎn)生具有 大于120eV能量的離子。在許多應(yīng)用中，具有所述高能量的離子可能損傷正 在處理的表面或損傷正在沉積的薄膜。
雖然本發(fā)明的離子源是功能性的，但它們不實(shí)現(xiàn)需求的離子源的所有要 求。因此，需要一種解決現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)并提供其他全新特點(diǎn)的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
以下概述了在附圖中所示的本發(fā)明的示例性實(shí)施方式。在具體實(shí)施方式
部 分將更詳細(xì)描述這些和其他實(shí)施方式。然而，應(yīng)當(dāng)理解不意在限定本發(fā)明于本 發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容中或具體實(shí)施方式
中所述的形式。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可認(rèn)識(shí)到 可以有多種改進(jìn)、等同物和替代構(gòu)造落入如權(quán)利要求書所表達(dá)的本發(fā)明的精神 和范圍內(nèi)。
本發(fā)明可提供一種產(chǎn)生離子的系統(tǒng)和方法。一個(gè)實(shí)施方式包括具有放電腔
室的外部電極；在該放電腔室內(nèi)定位的內(nèi)部電極，該內(nèi)部電極定位形成放電腔 室的上部分以及放電腔室的下部分；以及定位在放電腔室的下部分的進(jìn)氣口； 其中在放電腔室的下部分內(nèi)形成的等離子體提供可用于在放電腔室的上部分
中形成等離子體的激發(fā)粒子(primingparticle)。


通過(guò)結(jié)合附圖參照以下的具體實(shí)施方式
和所附的權(quán)利要求書，本發(fā)明的各 種目的和優(yōu)點(diǎn)以及更完全的理解是顯而易見(jiàn)的并更容易理解，其中
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式用于預(yù)處理表面的工藝腔室；
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的離子源；
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的離子源；
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的離子源的截面圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的離子源的截面圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的離子源的剖面截面圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的離子源和氣體屏蔽；
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的離子源和氣體屏蔽的截面圖； 圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的具有網(wǎng)格的氣體屏蔽的截面圖IOA和圖IOB示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的使用磁鐵增強(qiáng)的離子源。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)參照附圖，其中在全部視圖中使用相同的附圖標(biāo)記表示類似或相似的元
件，以及具體地參照?qǐng)Dl，其示出了用于預(yù)處理襯底105的工藝腔室100。該 實(shí)施方式包括工藝腔室100、直線離子源110、襯底支架115和襯底105。諸 如電源和進(jìn)氣口的數(shù)個(gè)其他部件沒(méi)有示出。但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到這 些部件如何與所示的全新部件相互作用。
在操作中，將支持氣體導(dǎo)入離子源110或靠近離子源110處。該離子源 110與電源連接。典型地，電源為AC、 RF或微波電源。施加給離子源110的 功率在離子源110中及其周圍產(chǎn)生等離子體。該等離子體包含部分電離的氣 體，該氣體包括較大濃度的受激原子、分子、離子和自由基物質(zhì)。這些粒子撞
擊襯底105，并根據(jù)所采用的工藝清洗襯底、粗糙化或去除過(guò)量的電荷。
支持氣體的激發(fā)典型地通過(guò)將包圍在工藝腔室中的氣體經(jīng)過(guò)由電源產(chǎn)生 的電場(chǎng)而實(shí)現(xiàn)。自由電子從施加的電場(chǎng)而獲得能量并與中性氣體原子撞擊，從 而離子化這些原子并把支持氣體分成幾部分而形成許多反應(yīng)性物種。這些受激 的物種與在或靠近等離子體定位的固體表面的相互作用導(dǎo)致材料表面的化學(xué) 和物理改性。
等離子體對(duì)所給材料的影響由表面和等離子體中存在的活性物種之間的化 學(xué)反應(yīng)來(lái)決定。在低暴露能量下，等離子體表面相互作用清潔或改變材料的表 面。該效應(yīng)限制于僅數(shù)個(gè)分子層深的區(qū)域并且不會(huì)改變襯底的整個(gè)屬性。所得 的表面變化依賴于表面的成分、使用的氣體、能量和能量密度。用于聚合物的 等離子體處理的氣體或氣體混合物可包括空氣、氮?dú)?、氬、氧氣?一氧化二氮、 氦、水蒸氣、二氧化碳、甲垸或氨。每種氣體產(chǎn)生唯一的等離子體成分并導(dǎo)致 不同表面屬性。例如，表面能可通過(guò)等離子體誘發(fā)的氧化、氮化或氫化而非常 快速并有效地增加。
取決于聚合物和源氣體的化學(xué)過(guò)程，表面中的分子成分取代可使聚合物可 濕性或完全不可濕性。特定類型的取代原子或基團(tuán)確定特定的表面勢(shì)。對(duì)于任 何氣體成分，三個(gè)競(jìng)爭(zhēng)表面處理同時(shí)改變表面，每個(gè)工藝的改變程度取決于化
學(xué)過(guò)程和工藝變量燒蝕(ablate)、交聯(lián)和激活。
燒蝕類似于蒸發(fā)工藝。在該工藝中，通過(guò)高能粒子和輻射對(duì)聚合物表面的 轟擊破壞聚合物主鏈的共價(jià)鍵，從而生成較低分子量的聚合物鏈。只要分子組 分變得更短，揮發(fā)性低聚物和單體副產(chǎn)物蒸發(fā)(燒蝕)并利用真空泵排氣裝置 除去。
交聯(lián)利用惰性工藝氣體(氬或氦)而實(shí)現(xiàn)。在聚合物表面上發(fā)生鍵破壞， 但由于沒(méi)有自由基清除劑，可與不同鏈上的相鄰自由基形成鍵(交聯(lián))。
激活是表面聚合物官能團(tuán)由來(lái)自等離子體的不同原子或化學(xué)基團(tuán)取代的 工藝。由于燒蝕，暴露于高能物種的表面吸引氫或破壞聚合物的主鏈，從而生 成自由基。另外，等離子體含有甚高能量的UV輻射。該UV能量在聚合物表 面上產(chǎn)生額外的類似自由基。熱不穩(wěn)定的自由基，快速地與聚合物主鏈自身或 與表面上存在的其他自由基物種反應(yīng)以形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵原子或更復(fù)雜的基 團(tuán)。襯底的等離子體處理可增加襯底表面的可濕性，從而改善正在生長(zhǎng)的薄膜
對(duì)襯底的粘附性。
現(xiàn)參照?qǐng)D2，其示出了根據(jù)本發(fā)明的離子源120的俯視圖。該離子源120 可用于如圖1所示的表面處理，或其可用于其他目的——包括薄膜化學(xué)改性和 電荷去除。該離子源120包括電極125、電極130和放電腔室135以及功率源 140。該離子源120在放電腔室135中產(chǎn)生高密度等離子體，從而產(chǎn)生離子和 游離基。電極125和電極130有時(shí)稱為外部電極和內(nèi)部電極。在特定的實(shí)施方 式中，該兩個(gè)電極上的電荷可轉(zhuǎn)換。
部分原因在于放電腔室135底部的內(nèi)部分的等離子體放電容積的存在，因 此離子源120可在低于2毫托(mT)和上達(dá)100毫托的壓力下操作。(腔室 的不同部分在圖4中更詳細(xì)示出。)該部分等離子體為放電腔室135的上部 分提供激發(fā)粒子。使用這些激發(fā)粒子，在放電腔室135的上部分形成等離子體， 其中存在增加的電場(chǎng)。將該等離子體會(huì)聚成致密的區(qū)域，從而增加局部等離子 體密度。
該類型的直線離子源120可在用于均勻表面處理的曲率軸中伴隨彎曲襯 底，并具有上達(dá)2-3米或以上的長(zhǎng)度。該離子源可用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)涂覆系統(tǒng)和 凈化。另外，該離子源可用于提供具有小于5eV能量的離子，并且可通過(guò)改 變輸送給電極的功率和任何偏壓而校準(zhǔn)離子源以提供具有更高能量的離子。
現(xiàn)參照?qǐng)D3，其示出了根據(jù)本發(fā)明的離子源145的替代實(shí)施方式。在該離 子源145中，電極150被絕緣體155分為兩個(gè)電性隔離的部分。為了產(chǎn)生所需 的等離子體，對(duì)陰極160電性偏置170，以及將主功率165施加給電極150。 電極部分，例如，可與AC電源、RF電源或微波電源連接。
該實(shí)施方式可用于在完成涂覆之后從網(wǎng)格襯底(web substrate)的表面去 除堆積的負(fù)電荷。在該實(shí)施方式中，中心電極可由碳纖維材料組成，其趨于在 高頻率下均勻放電以減小局部機(jī)械公差的影響并具有對(duì)于等離子體的較低濺 射產(chǎn)量。
現(xiàn)參照?qǐng)D4，其示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式構(gòu)造的離子源175的截 面圖。該視圖更好的示出了下部放電腔室180。另外地，該視圖示出了在離子 源底部的進(jìn)氣口 185。
典型地，進(jìn)氣口 185貫穿離子源175的長(zhǎng)度或全部長(zhǎng)度并將氣體導(dǎo)入放電 腔室180的底部?jī)?nèi)呈近似均勻分布。進(jìn)入底部區(qū)域中的氣流是在其最大量并導(dǎo)
致最高壓力——其與高電場(chǎng)耦合將促使低的擊穿電壓以及一旦發(fā)生擊穿將保 持低密度放電。
放電腔室180包括底部195和上部190。由于氣體導(dǎo)入放電腔室180的底 部195中，因此等離子體最初在放電腔室180的該部分中形成。該等離子體產(chǎn) 生激發(fā)粒子，其有助于在放電腔室180的上部190中激發(fā)等離子體。上部中的 等離子體提供用于表面處理、薄膜沉積和其他工藝的離子。
現(xiàn)參照?qǐng)D5，其示出了離子源200的另一實(shí)施方式。該實(shí)施方式除了形狀 外類似于其他實(shí)施方式。在該實(shí)施方式中，電極205為八角形，以及放電腔室 210為相似形狀。其他實(shí)施方式包括圓形電極、方形陽(yáng)極、矩形陽(yáng)極、橢圓陽(yáng) 極等。放電腔室可與陽(yáng)極的形狀相配或可為不規(guī)則形狀。不規(guī)則形狀的放電腔 室可用于增加放電腔室的特定部分的容積。
在該實(shí)施方式中，陽(yáng)極在放電腔室210內(nèi)偏移。g卩，陽(yáng)極不是在放電腔室 210內(nèi)居中。取代地，定位陽(yáng)極205從而放電腔室210的底部包括比放電腔室 210的上部更多的容積。注意，陽(yáng)極205在放電腔室210的上部中形成節(jié)距點(diǎn) (pinch point) 215。這些節(jié)距點(diǎn)215有助于將氣體保持在放電腔室210的底部 中，從而增加放電腔室210的底部的氣壓。
電極225的邊沿(lip) 220還可為波狀形(contoured)或成錐形(tapered) 以成形節(jié)距點(diǎn)。在圖5中，成形電極225從而產(chǎn)生窄節(jié)距點(diǎn)215。節(jié)距點(diǎn)215 以上的區(qū)域張開(kāi)以能使等離子體充滿更多的容積。節(jié)距點(diǎn)還可用于增加電場(chǎng)強(qiáng) 度。
圖6示出了圖5中所示的離子源200的不同視圖。該剖面視圖示出了位于 陽(yáng)極205和電極的底部225之間的進(jìn)氣口 230。
現(xiàn)參照?qǐng)D7和圖8，它們示出了位于氣體屏蔽240內(nèi)的離子源235。該離 子源可為在此所述的任意類型。
現(xiàn)參照?qǐng)D9，其示出了具有網(wǎng)格245的氣體屏蔽240，其用于致能并引出 來(lái)自利用離子源產(chǎn)生的等離子體的離子。網(wǎng)格245還可用于控制從離子源引出 的任何離子的方向。為了清晰起見(jiàn)，實(shí)際的離子源沒(méi)有包括于該視圖中。
在該實(shí)施方式中，在氣體屏蔽240中不需要源轉(zhuǎn)向(turnaround)。由于 端部沒(méi)有磁性關(guān)閉，因此該配置允許使用單個(gè)或多個(gè)槽部放電，為了正常運(yùn)行， 僅覆蓋端部以在源中的不同等離子體放電區(qū)域中維持分壓差。
現(xiàn)參照?qǐng)DIOA和圖IOB，它們示出了利用磁鐵255增強(qiáng)的離子源250。磁 鐵有助于增加電子從陽(yáng)極到陰極運(yùn)動(dòng)的平均自由程。通過(guò)增加平均自由程，電 子具有更大可能性使導(dǎo)入至離子源中的支持氣體離子化并分成幾部分。圖10A 示出了具有周期性隔開(kāi)的磁鐵的實(shí)施方式，以及圖10B示出了具有近似全部 長(zhǎng)度磁鐵的實(shí)施方式。
因此，除其他之外，本發(fā)明提供了一種用于生成可用于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)工藝的 離子以獲得聚合物襯底表面改性、在低形成能量動(dòng)力學(xué)限制的薄膜生長(zhǎng)應(yīng)用中 的離子輔助沉積、襯底的等離子體凈化的結(jié)果，以及可用于從帶電襯底的表面 和網(wǎng)格涂層去除堆積的電荷。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可容易認(rèn)識(shí)到對(duì)本發(fā)明、其使 用和其配置可以做出各種變型和替代以獲得基本上與通過(guò)在此所述的實(shí)施方 式獲得的相同結(jié)果。因此，不意在限定本發(fā)明于所公開(kāi)的示例性形式。許多變 型、改進(jìn)和替代構(gòu)造落入如權(quán)利要求書表達(dá)的所公開(kāi)的本發(fā)明的精神和范圍 內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生離子的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括具有放電腔室的外部電極；在所述放電腔室內(nèi)定位的內(nèi)部電極，所述內(nèi)部電極定位形成所述放電腔室的上部分以及所述放電腔室的下部分；以及定位在所述放電腔室的下部分中的進(jìn)氣口；其中在所述放電腔室的下部分內(nèi)形成的等離子體提供用于在所述放電腔室的上部分中形成等離子體的激發(fā)粒子。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述內(nèi)部電極在所述放電 腔室內(nèi)偏移以從而增加所述放電腔室的下部分的容積。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述內(nèi)部電極為圓柱形。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述放電腔室為圓柱形。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述放電腔室為不規(guī)則形狀。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述內(nèi)部電極具有多邊形 截面。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述外部電極包括錐形邊沿。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述錐形邊沿在所述錐形 邊沿和所述內(nèi)部電極之間形成節(jié)距點(diǎn)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述外部電極包括第一部 分和第二部分以及其中所述第一部分和所述第二部分電絕緣。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括將所述外部電 極的第一部分與所述外部電極的第二部分隔離的絕緣體。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)一步包括氣體屏蔽，其 中所述外部電極定位在所述氣體屏蔽內(nèi)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體屏蔽包括開(kāi)口 部分，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括在所述氣體屏蔽的整個(gè)開(kāi)口部分上定位的細(xì)絲。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于產(chǎn)生電子和離子的系統(tǒng)和方法。一個(gè)實(shí)施方式包括具有放電腔室的外部電極；在所述放電腔室內(nèi)定位的內(nèi)部電極，所述內(nèi)部電極定位形成所述放電腔室的上部分以及所述放電腔室的下部分；以及定位在所述放電腔室的下部分的進(jìn)氣口；其中在所述放電腔室的下部分內(nèi)形成的等離子體提供可用于在所述放電腔室的上部分中形成等離子體的激發(fā)粒子。
文檔編號(hào)H05H1/24GK101179897SQ200710145640
公開(kāi)日2008年5月14日 申請(qǐng)日期2007年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月9日
發(fā)明者漢斯-格奧爾格·洛茲, 沃爾克·哈克, 貢特爾·克萊姆, 邁克爾·W·斯托厄爾 申請(qǐng)人:應(yīng)用材料股份有限公司