[发明专利]利用电子束技术产生臭氧和等离子体

说明书

相关申请的交叉参考

本申请主张享有依据美国法典35U.S.C.§119于2010年12月16日提交的题目为“Ozone and Plasma Generation Using Electron BeamTechnology（利用电子束技术产生臭氧和等离子体）”的美国临时专利申请61/423,693的优先权，并将其全部内容并入本文。

技术领域

概括而言，本发明涉及利用电子束技术产生臭氧和等离子体的系统和方法。

背景技术

臭氧和等离子体产生技术依赖于这样的原理：向输入气体供给能量，从而形成电荷载流子（电子和离子）以及额外的等离子体种类。在工业应用上用于产生且维持臭氧和等离子体的最常用方法是通过向输入气体施加电场来实现的。目前有几种在这些应用上用于产生和施加电场的方法。典型地，臭氧和等离子体产生技术被配置为使得在输入工艺气体（input process gas）发生反应的同一腔室中产生电场。在将输入工艺气体分解为臭氧或等离子体的同一腔室中产生电场存在着一些基本的限制。一个限制是：经过反应的气体可能使腔室的表面改性，使得改变了电场产生的方式，从而导致了反应效力的变化。第二个限制是：经过反应的气体可能使腔室的表面改性，使得形成了额外的不想要的粒子。第三个限制是：难以或无法精确地控制电场是如何与工艺气体相互作用的，从而限制了工艺的灵活性。用于克服在产生臭氧和等离子体时的这些限制的已知工艺通常造成效力降低、工艺可变性更高、效率更低、系统复杂性增大、成本更高以及系统维护增加。

臭氧产生技术目前存在着并且已经商业运行了超过20年。应用方面包括半导体制造（其包括但不限于原子层沉积、氧化物生长、光致抗蚀剂去除和化学气相沉积）和水处理。在半导体应用方面用于产生臭氧的典型构造利用电介质阻挡件放电（dielectric barrier discharge）在反应腔室中产生电场，该电场通过在含有一定氧浓度的输入气体内的电子加速来引发分解反应。这就产生了电容耦合等离子体并生成一定浓度的臭氧。在这样类型的布置下，电场是在输入气体发生反应的同一腔室内产生的。

用于电介质阻挡件放电的一种常用构造是金属-陶瓷（metal to ceramic）放电单元。为了增大在这些类型的实施例中产生的臭氧浓度，例如钨等耐火金属是用于该金属表面的材料的一种选择。一个限制是：由于所生成的工艺气体（即，臭氧）与那些表面相互作用而造成的放电表面的不利改性。这一逐渐的不利改性的结果是：由于有效放电表面的丧失，所产生的臭氧的浓度逐渐降低。产生臭氧的传统方法还要求精确控制反应区中的放电间隙并且要求冷却反应区，这是因为臭氧浓度取决于反应区容积和放电表面的温度。精确的间隙控制和冷却为系统的总体设计带来了复杂性，并且为不同系统生成的工艺气体带来了可变性。此外，精确的间隙控制仅允许对电子的能级进行有限的控制。

产生等离子体的工业标准是以电感耦合等离子体产生和微波等离子体产生中的任一者为基础的。在这些方法中产生的工业等离子体的例子包括产生氟基（fluorine based）等离子体、氧或氮等离子体、水等离子体、氩或另一惰性气体等离子体以及氢等离子体。这些类型的等离子体广泛地用于半导体和其他工业应用方面，这些方面包括但不限于：光致抗蚀剂的去除、钝化和残渣的去除、表面改性、氮化、氧化物蚀刻、沉积、硅蚀刻和反应腔室的远程等离子体清洁。对于电感耦合等离子体，这些等离子体产生技术中常用的材料包括石英、蓝宝石和阳极电镀铝（anodized aluminium）。对于电容耦合等离子体，常用材料包括氧化铝或钨，而微波等离子体产生过程通常使用蓝宝石或氮化铝。

产生等离子体的传统方法是在反应腔室内产生强的电磁场，其使电子加速并引发雪崩式的电子生成，这使输入工艺气体分解为等离子体。由于在反应腔室内存在有电磁场，所以该电磁场会影响所生成的等离子体，导致离子和带电粒子与腔室壁之间的直接反应，诸如将这些壁侵蚀并产生额外的粒子。这些额外的粒子对半导体和其他工业而言是有问题的。此外，传统方法导致仅能够部分地控制电子的能级。

因此，在本领域中，需要改进的用于产生臭氧和等离子体的系统及方法。

发明内容