[发明专利]单束等离子体源

说明书

提供了单束等离子体或离子源装置(21，221，321，421，521)。另一方面采用离子源(25)，该离子源包括以基本上E形的截面形状布置的多个磁体(91)和多个磁分路器(93)。离子源的另一方面包括磁体和/或磁分路器，所述磁体和/或磁分路器产生具有位于等离子体源内的开放空间中的中心凹陷(117)或向外起伏的磁通量(115)。在另一方面，离子源包括附接至围绕磁体的阳极体(97)的可移除盖(73、573)。又一方面提供了单束等离子体源(221、521)，该单束等离子体源与靶溅射同时并且在相同的内部压力下产生离子。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年6月20日提交的美国临时申请第62/687,357号的权益。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。

政府权利

本发明是在国家科学基金会授予的1700785、1700787和1724941的政府支持下完成的。政府对本发明享有一定权利。

背景技术和发明内容

本申请总体上涉及离子源，并且更具体地涉及单束等离子体或离子源装置。

薄膜加工被广泛用于制造半导体器件、显示器、太阳能电池板、摩擦涂层、传感器和微机电系统。如图1所示，常规的物理气相沉积和化学气相沉积通常会由于原子1的有限动能而导致工件2上的原子1堆积松散。微孔结构导致材料特性和器件性能不稳定。然而，离子源已经成为用于制造高质量薄膜和器件的必要工具。

一个常规的离子源具有图2和图3所示的跑道设计。该设备包括跑道形或环形阳极3、成对的中心磁极和外部磁极以及磁体4。阳极连接至DC电源的正端子。磁极连接至地电位并用作阴极5。被朝向阳极吸引的电子受到洛伦兹力，该洛伦兹力沿E×B方向驱动电子(其中，E是电场向量，并且B是磁感应场向量)。由此，电子以电子轨迹6沿着跑道漂移而不是直接到达阳极。被限制的电子使工艺气体离子化并产生离子7，随后这些离子被从等离子体区域中提取出来。

跑道离子源的正常操作有两个关键要求：1)电子必须在闭合环路(跑道或圆环)中漂移以确保它们被限制；以及2)阳极与阴极之间的间隙必须小(几毫米)以建立强电场来提取离子。由此，跑道线性源实际上在直线部分产生两个束，而圆形源则生成环形束。因此，所发射的离子具有宽的发射角度分布；研究表明，相关联的离子入射角对被处理表面的形态有显著影响。此外，跑道离子源需要大于250V的电压来维持等离子体放电。这是通过阳极与阴极之间的电磁场确定的。因此，离子能量可能很高，以至于它们可能损坏沉积的膜并且不期望地使膜表面变粗糙。

由于不期望的材料沉积以及对出口狭缝附近的阳极和阴极的污染，传统跑道离子源中的窄发射狭缝导致维护频繁。此外，由于传统跑道结构将磁钢阴极直接安装在磁体上，因此在清洁后重新排列阴极以保持发射缝隙均匀很麻烦。在2016年1月28日发布的Madocks的题为“Closed Drift Magnetic Field Ion Source Apparatus Containing Self-Cleaning Anode and a Process for Substrate Modification Therewith”的美国专利公布第2016/0027608号以及于2017年2月2日发布的Chistyakov的题为“High Power PulseIonized Physical Vapor Deposition”的美国专利公布第2017/0029936号中公开了示例性跑道配置，上述两个申请通过引用并入本文。

于1984年11月6日授权给Kaufman等人的题为“Electron Bombardment IonSources”的美国专利第4,481,062号公开了另一种传统离子源，并且该美国专利通过引用并入本文。该方法通常在低压(例如，10^-4托)下工作，该低压与至少10^-3托的典型溅射压力不兼容。此外，Kaufman离子源不期望地使用细丝(filament)来热电子地发射电子，这使得它不适于与反应气体一起使用。此外，该设计通常在出口上采用金属栅格，从而不利地易于受到污染并且需要频繁的停机和维护。