CN105144849B - 环形等离子体处理装置 - Google Patents

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Abstract

一种包含真空室的等离子体处理装置，该真空室包含：管道、处理室、用于将气体引入真空室内的第一气体输入口，以及用于从真空室中排出气体的泵出口。磁芯包围着管道。射频电源的输出与磁芯电连接。射频电源给磁芯供电，由此在真空室内形成环形等离子体回路放电。用于在等离子体处理期间支撑工件的台板位于处理室内。

Description

环形等离子体处理装置
本文所使用的各部分的标题仅用于组织的目的，并且不应被理解为以任意方式来限制本申请所描述的主题。
背景技术
有许多类型等离子体放电，并且它们在各种各样的条件下工作。在某些应用中，使用低至10-3托的压力。在低压力下，解离主要由于对分子的电子轰击而发生。对气态物质的加热在解离过程中起着相对较小的作用。在其他应用中，使用高得多的气体压力，该气体压力能够为1托到大于1个大气压。分子的解离由于电子轰击加上对气态物质的加热的结合而发生。一般地，最有效的解离在压力和气体温度都相对较高时发生。当气体压力为1托或更大并且等离子体所吸收的电功率大于10Wcm-3时，气体温度能够超过数千摄氏度。在这些高的气体温度下，热效应在维持高度解离的气体方面开始起着重要的作用。
附图说明
根据优选的示例性实施例的本教导连同其更多的优点一起将在下面结合附图进行的详细描述中更具体地描述。本领域技术人员应当理解，下面所描述的附图只是用于说明的目的。这些附图并不一定是按比例的，而是一般要强调对本教导的原理进行说明。这些附图并非意指以任意方式来对本教导的范围进行限定。
图1示出了根据本教导的一种实施例的具有磁芯和电源的环形等离子体源，在该环形等离子体源中，惰性气体和工艺气体能够从一个点或从多个点引入。
图2示出了根据本教导的示出等离子体管道和磁芯的环形等离子体处理装置。
图3示出了本教导的一种环形等离子体处理装置，在该环形等离子体处理装置中，多个等离子体源横过工件的宽度或者沿着工件的长度进行堆叠。
图4示出了根据本教导的一种环形等离子体处理装置的透视图，该环形等离子体处理装置包含用于等离子体处理的具有功能分离的部分的真空室。
图5示出了本教导的一种环形等离子体处理装置，该环形等离子体处理装置包含在处理室内的两个等离子体回路部分，在处理室和管道室之间具有可调整的气体限制。
图6示出了本教导的一种环形等离子体处理装置，该环形等离子体处理装置包含紧紧靠近的或相互交织的两个等离子体部分，以便产生等离子体密度和气体温度更高的区域。
图7示出了根据本教导的用于生成反应气体物质的远程的或下游的环形等离子体源。
图8示出了根据本教导的环形等离子体处理装置的一种实施例，该环形等离子体处理装置包含具有三个管道和一个处理室的单个等离子体回路。
图9示出了根据本教导的单个等离子体回路的环形等离子体处理装置的等距视图。
图10示出了根据本教导的用来执行实验的环形等离子体处理装置。
图11示出了用于支撑能够用于本教导的环形等离子体处理***的工件的工件台板(platen)的透视图。
具体实施方式
在本说明书中对“一种实施例”或“实施例”的引用意指根据该实施例来描述的特定的特征、结构或特性包含于本教导的至少一种实施例中。在本说明书中的任意地方出现的短语“在一种实施例中”并不一定全都指的是同一实施例。
应当理解，本教导的方法的个体步骤可以按照任意顺序和/或同时执行，只要本教导仍然可实施。而且，应当理解，本教导的装置和方法能够包括任意数量的或全部的所描述的实施例，只要本教导仍然可实施。
现在将参考本教导的示例性实施例更详细地描述，如同附图所示的。虽然本教导结合各种实施例和实例来描述，但并不意味着本教导要限定于这样的实施例。相反，本教导涵盖各种替代方案、修改和等效形式，如同本领域技术人员所应当了解的。已经了解本文的教导的本领域技术人员应当清楚另外的实施方案、修改和实施例，以及其他领域的用途，这些属于本文所描述的本公开内容的范围。
本教导涉及使用用于解离分子气体的等离子体放电。本教导的装置和方法的一个方面涉及使用用于解离分子气体的等离子体放电来形成金刚石、类金刚石碳、石墨烯以及相关的材料。人造金刚石材料已经通过各种方法生产了许多年。早期的人造金刚石处理技术包括热火炬(thermal torches)和高温高压反应器。从二十世纪80年代起，研究人员就开始关注用于生成人造金刚石膜的等离子体技术。这些膜典型为沉积于诸如硅、钨和钼之类的基板上的金刚石材料的薄膜或厚膜。这些反应器类型一般称为等离子体化学气相沉积反应器或等离子体CVD反应器。等离子体CVD金刚石沉积的大部分初始形成都已经使用在10-100托的大体压力范围内工作的基于微波的反应器执行了。其他金刚石沉积已经使用较低压力的等离子体反应器和非微波发生器来完成。一般而言，较高质量的膜和较高的沉积速率已经使用较高压力的微波***获得。可参见例如J.E.Butler、Y.A.Mankelevich、A.Cheesman、Jie Ma和M.N.R.Ashfold的“Understanding the Chemical VaporDeposition of Diamond：Recent Progress”(Journal of Physics：Condensed Matter 21(2009)364201，IOP Publishing)。同样可参见F.Silva、K.Hassouni、X.Bonnin和A.Gicquel的“Microwave Engineering of Plasma-Assisted CVD Reactors for DiamondDeposition”(Journal of Physics：Condensed Matter 21(2009)364202 IOPPublishing)。本文引用的包括J.E.Butler等人的和F.Silva等人的所有参考文献全文并入本文，以作参考。
用于沉积金刚石、类金刚石碳、石墨烯以及相关的材料的等离子体化学品主要包括添加有少量的含碳气体(例如，甲烷或乙炔)的氢化学品。含有碳和氢的其他气体也可以使用。另外，还能够添加其他气体，例如，氮气、氧气或卤素物质。等离子体使一部分的氮气以及含碳物质解离。原子氢是关键成分，因为它吸附到生长中的金刚石表面上并且还相对于金刚石键优先蚀刻掉碳键。高沉积速率和高质量膜的生长两者的关键是在工件表面具有高通量的原子氢。术语“工件”在本文中被定义为材料正在沉积于其上的对象。换言之，工件是按照本教导的方法和装置来处理的样品或器件。
许多类型的等离子体放电可产生高通量原子氢所需的条件。但是，这些等离子体放电大部分对于许多实际应用都显示出了明显的缺点。例如，在大气压力下工作的等离子体火炬能够产生非常高的气体温度，并且在解离各种分子气体方面非常有效。但是，火炬电极具有有限的寿命。此外，对等离子体火炬电极的腐蚀还产生许多应用不可接受的污染。另外，等离子体火炬还难以在大的区域上产生均匀的放电。
在半导体处理设备中通常使用电感射频等离子体源。电感射频等离子体源以典型为2～60MHz的频率来操作。但是，随着功率密度和/或压力上升，能够发生严重的等离子体室腐蚀。用于生成高通量的原子氢的所期望的高等离子体密度和气体压力难以在传统的电感等离子体源中获得。此外，用来驱动电感耦合的等离子体的电源通常效率不是很高。而且，在电源与等离子体之间存在显著的耦合损耗。对这些损耗的补偿会显著增加等离子体发生器的成本和复杂度，因为需要更大的电源，并且因为这些***经常需要冷却。
微波放电源同样常用于半导体处理设备及许多其他应用中。这些源在从小于10-3托到大于1个大气压的压力下操作。但是，微波发生器是出了名的低效率。微波发生器典型地具有只有大约50％的总效率(交流线路至微波的功率)。另外，在这些发生器中的磁控管典型地需要常规性的更换，这会显著增加***的工作成本和停机时间。另外，还需要专用的且高成本的波导构件将微波发生器的功率耦合至等离子体。微波耦合构件和发生器的尺寸和重量同样是大的，这会限制它们的应用，尤其是在洁净室环境中。
微波等离子体反应器通常被用来沉积金刚石。在这些反应器中，典型的气态物质包括氢气以及含碳气体，例如，甲烷，并且可以包括大量的其他气体，例如，氧气、氮气和卤素物质。除甲烷外的含碳物质同样可以使用。高性能的微波金刚石CVD反应器以各种方式单独地或结合起来对工件表面施加高的原子氢通量，例如，通过在高压(10～100+托)、高的中性气体温度(2000℃或更高)下操作，和/或通过将工件表面定位于生成原子氢的等离子体芯部的短距离处。在等离子体芯部的短距离处操作是所希望的，因为在处理室内的典型压力下，气相复合和壁面反应两者将会导致原子氢的损耗。
工件在某些配置中需要距离等离子体的热芯小于5厘米，从而获得原子氢到工件表面的最佳输送。在许多情况下，根据气体压力，从等离子体的热芯到基板的最佳距离能够为1毫米或更小。在这些功率密度以及基板至等离子体芯部的短距离下，对基板将会有很显著的加热。这种加热对于在生长表面提供为将工件加热到期望沉积温度所需的能量方面能够是有利的。
在通常用来沉积金刚石的微波等离子体反应器内的等离子体和表面化学已经被广泛研究，并且众所周知的是，原子氢在等离子体内的产生及其在工件表面上的使用是该工艺的关键。沉积速率和材料质量会提高，因为反应器在将分子氢解离成原子氢以及有效地将其传送到工件表面方面变得更加高效。此外，当原子氢撞击到工件表面上时，原子氢很有可能会再结合成分子氢，释放将会转移给工件的大量能量，促使其温度升高。这能够在需要高的工件温度的工艺中是有利的，例如，金刚石、石墨烯及类似材料的沉积。通过将原子氢用于工件加热，能够减少或完全避免对辅助加热的需求，从而降低能源成本、设备复杂性和设备成本。
本教导的一个方面是使用环形等离子体来生成用于有效且高效地沉积各种材料的原子氢，包括金刚石、类金刚石碳、石墨烯以及其他基于碳的材料。环形等离子体在本文中被定义为完成了闭合回路的等离子体。环形等离子体已经在商用材料处理应用中使用了几年。在美国专利6,150,628中描述了用于材料处理的一种已知的环形等离子体装置，该专利6,150,628全文并入本文，以作参考。本文所描述的环形等离子体一般地具有下列一个或多个特性：(1)等离子体在闭合的回路中生成；(2)一个或多个磁芯包围着等离子体回路的一部分；以及(3)射频电源与磁芯的初级绕组连接，使得功率通过磁芯耦合至等离子体回路，这实际上是变压器电路的次级。
因而，本教导的环形等离子体源的一个特征是：非微波功率能够被用来初始化并维持等离子体放电，该等离子体放电能够创造出与见于有成效的微波等离子体金刚石CVD反应器中的那些条件类似的条件。活性气体的分压在某些配置中可以为1托及更高。所吸收的射频功率能够为10W·cm-3及更大。
本教导的环形等离子体装置具有众多应用。本教导的环形等离子体装置的一种应用是沉积各种材料，例如，金刚石。但是，应当理解，本教导并不限定于沉积金刚石。本教导的环形等离子体装置的另一种应用是蚀刻或清理工件表面。蚀刻或清理能够通过暴露于在等离子体放电中产生的带电物质和/或通过暴露于在等离子体放电中产生的反应中性物质来完成。本教导的环形等离子体装置的另一种应用是反应气体源。在该应用中，该源将被配置并***作使得主要是不带电的反应气体物质达到工件表面。环形等离子体源的又一种应用是用于在移动的基于卷到卷网的工件台板上的沉积或蚀刻。这样的***至少包含用于将网输送通过处理室的供应辊和返回辊。例如，参见美国专利公开No.2010-0310766 A1，该专利全文并入本文，以作参考。这些移动的基于卷到卷网的工件台板能够支撑网型基板(如，太阳能电池)，或者能够支撑常规的基板。
环形等离子体源对于希望在等离子体内有很高的气体温度的应用特别有用。例如，在以氢气来处理时，在等离子体区内的很高的气体温度是所希望的，以便促进分子氢到原子氢的解离并且保持高解离度。特别地，人们已经发现，超过2,000℃的气体温度是最好的。在根据本教导的许多工艺中，3,000℃以上的气体温度会产生对所沉积的金刚石材料的高沉积速率和高质量两者特别有利的条件。在使用原子氮、氧、氟、氯、溴、碘及众多烃类时，同样也希望在等离子体区内具有很高的气体温度。一般而言，在等离子体内的气体温度越高，原子物质的生产就越有效率。
另外，根据本教导的环形等离子体源对于以等离子体难以维持于轮廓狭长的等离子体处理室内的且等离子体或其产物与内壁相互作用的反应气态物质进行的应用是特别有用的。由于氢在表面上的高复合率以及氢在解离时的高化学活性，原子氢是难以维持于轮廓狭长的等离子体处理室内的反应气体的一个实例。氢可用于诸如清理半导体晶片表面以及在光刻工艺步骤之后从半导体晶片中去除光刻胶之类的应用。氢同样可用于沉积各种基于碳的材料，例如，金刚石、类金刚石碳和石墨烯。因而，本教导的环形等离子体装置的一种重要应用是沉积金刚石、类金刚石碳、石墨烯以及其他基于碳的材料。由于类似原因而难以维持于轮廓狭长的等离子体处理室内的其他气体包括原子氮、氧、氟、氯、溴、碘、氨，以及众多烃类、碳氟化合物，以及其他分子物质。
图1示出了根据本教导的一种实施例的具有磁芯102和电源104的环形等离子体源100，在该环形等离子体源100内能够于一个点106或者于多个点106、106’和160”引入惰性气体和工艺气体。环形等离子体源100包含能够由绝缘材料或导电材料或者两者的结合来形成的等离子体室108。等离子体室108不是纯导电构造。磁芯102包围着等离子体室108。在某些实施例中，同样可取的是将磁芯定位于真空室自身内，在该真空室内，磁芯能够包围着等离子体回路的一部分。射频电源104具有与磁芯102的初级绕组连接的输出。射频电源104被用来给磁芯102供电，这进而促使电场耦合到等离子体放电110。
在各种实施例中，惰性气体和工艺气体在一个点或在多个点引入等离子体室108之内。在图1所示的实施例中，环形等离子体源100包含第一进气口106、第二进气口106’和第三进气口106”。使用多个进气口可提供沿着等离子体回路的不同部分来分离活性气体和稀有气体物质的能力。
使用两个进气口可提供沿着等离子体回路的不同部分来分离活性气体和稀有气体物质的能力。本文所使用的术语“活性气体”和“反应气体”指的是作为过程化学的一部分的气体。相比之下，稀有气体(例如，氩气)主要被用来帮助保持等离子体放电，但是在某些工艺中，它们可以在活性气体的解离过程中起作用。
气体由于各种原因而在多个气体输入口引入等离子体室100内，取决于工艺。本文所界定的气体输入口能够是任意类型的气体输入口，例如，单个或多个孔眼、单个或多个狭缝，或者喷头。例如，能够在一个位置引入氩气，因为与其他气体相比，氩气需要较小的功率和电压来产生并保持等离子体放电。氩气同样是化学惰性的，使得与等离子体室的暴露于氢和其他活性气体的部分相比，等离子体室的暴露于氩气放电的部分将需要较不复杂的且成本较低的构造材料。正被处理的工件112能够被定位于真空泵的出口114附近，如图1所示。其他配置将正被处理的工件112从真空泵的出口114处移开。使用氩气的许多实施例在远离工件112的点处引入氩气，而氢气、惰性气体及其他工艺气体在更靠近工件112的地方引入。这样的配置将会导致在工件112附近耗散更多的功率，其中该配置是需要的，以便给工件112的表面提供原子氢。
计算指出，在大范围的气体流量和压力下将会发生显著的气体分离。例如，对于200sccm或更大的氩气流量、对于200sccm或更小的氢气流量以及大于10托的压力，沿着等离子体回路110将会发生显著的气体分离。在各种实施例中，包含另外的泵送通道和气体输入口，以增加气体分离量。在某些方法和配置中，等离子体源100***作，使得工艺气体的分压为1～100托的压力。但是，本文所描述的教导并不限定于具体的压力范围。
在多个气体输入口引入气体的另一个原因是提供期望的气体流型，或者针对特定的参数来优化流型。例如，具有不同的尺寸和/或间隔图形的多个气体输入口能够被用来实现所期望的流型或者优化气体流量。已优化的流量能够在固定基板和转动基板两者上提高均匀度。
在各种实施例中，工件112能够与等离子体紧密接触或者定位于等离子体邻近处。在某些实施例中，工件112被引入环形等离子体区之内，很靠近等离子体热芯，在该环形等离子体区内，工件接收到足够通量的原子氢，以沉积高质量的膜。在一种具体的实施例中，工件112距离等离子体热芯小于2cm。在该实施例中，从等离子体热芯到工件表面的典型距离为1mm～5cm。
在图1所示的实施例中，示出了400kHz的电源104。在各种实施例中，射频电源104的频率一般为大约60Hz～100MHz。但是，各种因素，包括对电源以及使磁芯的总的***成本和重量最小化的合意性的实际限制，会将许多实施例中的实际频率范围限定于大约20kHz与14MHz之间。该频率范围同样是使从电源104到等离子体的功率转换最大化所期望的，同时可避免电容耦合。在某些实施例中，环形等离子体源100以10W·cm-3及更大的等离子体功率密度来操作。在其他实施例中，功率密度高于100W·cm-3。
结合图1所描述的环形等离子体源100的一个特征是：微波腔并非是形成等离子体所需的。微波腔具有许多缺点，例如，形成电弧放电的趋势。实际上，与形成等离子体放电的其他装置相比，微波腔具有十分有限的工艺参数空间，并且在工件112能够定位的位置上受到非常大的限制。微波腔还提供范围有限的机会来将等离子体的形状裁剪成可能是特定工件类型所期望的形状。
结合图1所描述的环形等离子体源100的另一个特征是：针对等离子体负载来主动微调电源104或者使其与等离子体负载匹配一般不需要，这可降低复杂度和成本。但是，在某些情况下，微调或匹配是所期望的。环形等离子体源100的又一个特征是：与见于微波源或更常规的射频等离子体源中的那些电场和电压相比，在器件内的电场和电压是小的，这会提高可靠性并且减少对暴露于等离子体环境的内表面的腐蚀。
图2示出了根据本教导的示出等离子体管道202和磁芯204的环形等离子体处理装置200。本文所定义的术语“管道”意指被设计用于包含着环形放电的一部分的结构，但是这并非意在作为执行对材料和/或气体的主要处理的结构。在本教导的许多实施例中，管道202与处理室206相比具有不同的几何形状，使得在管道202内的惰性气体和工艺气体的压力和浓度不同于在处理室206内的压力和浓度。术语“处理室”在本文中被定义为真空室的用于处理材料和气体之一或两者的部分。因而，与某些相关领域相比，术语“处理室”得到更一般的定义。图中所示的处理室只是许多可能的处理室配置中的一些。在各种配置中，真空室的不同部分能够由不同的材料或相同的材料构成，取决于过程化学。对于某些应用，所希望的是在等离子体室的某些部分内提供氩气吹扫以降低工艺气体的浓度。
图2示出了在根据本教导的环形等离子体源200中的管道202和磁芯204或芯部的一种配置。环形等离子体源200很适合于范围广泛的用途，包括用于诸如金刚石、类金刚石碳、石墨烯之类的材料以及在沉积过程中需要原子氢的其他材料的沉积的原子氢的生成。它同样能够用于众多其他化学和工艺，包括表面清理和改性。
等离子体处理装置200包含两个基本上直的管道202。等离子体202使环形等离子体回路闭合于管道的任一端。该实施例的几何形状的一个特征是：直的管道202可用各种各样的材料获得，并且与形状更复杂的管道相比能够以显著要低的成本来制造。该实施例的几何形状的另一个特征是：当等离子体208处于较大的真空室内时，等离子体208沿着其环形路径转弯。因此，来自放电的热量在等离子体208转弯处最为集中。这种热量更加集中的区域更容易受到来自热量和化学侵蚀的腐蚀。因而，来自离子的物理溅射被转移到存在吸收热量的更多表面区域的更大体区内。
在各种实施例中，等离子体管道202能够由众多不同类型的电介质材料制成，例如，熔融的二氧化硅、氧化铝、氮化铝、蓝宝石，以及其他陶瓷和玻璃。等离子体管道202同样能够由导电材料制成，例如，铝、各种钢、铜、钨、钼等。在使用导电材料或电介质材料的实施例中，能够对等离子体管道的内壁施加电绝缘涂层，以便抑制电弧或腐蚀。在导电材料的情形中，管道202能够安装有绝缘套环或垫圈，以防止与它们所连接的室之间的电气短路。管道202和磁芯204的温度能够以众多方式来控制。例如，管道202和磁芯204能够通过执行空气对流、直接流体冷却，或者通过被布置为与管道202和/或磁芯204的外表面紧密接触的一个或多个冷却元件来冷却。
在已知的环形等离子体源中，工艺气体化学品通常与等离子体处理室的内壁材料不相容。这种不相容实际上限制了可以使用的工艺气体。本教导的环形等离子体源200的另一个特征是：本教导的装置能够使用与传统的等离子体处理室的内壁材料不相容的工艺气体化学品。
在已知的环形等离子体源中，等离子体回路的大部分主要只是用来维持等离子体。维持等离子体会消耗能量，对许多应用都不提供工艺帮助。本教导的环形等离子体源200的另一个特征是：它减少了总的等离子体功率中的只用来维护等离子体208的部分。在各种实施例中，本教导的环形等离子体源200在某些实施例中可以将100％的等离子体路径长度用于工艺气体，而在其他实施例中仅为低至5％的等离子体路径长度。
在已知的环形等离子体源中，等离子体回路被限定于闭合的真空室内，在该真空室内，等离子体的最热部分远离工件。本教导的等离子体处理装置的另一个特征是：它允许工件210直接邻接于高温等离子体204的芯部或者在其附近。
图3示出了本教导的环形等离子体处理装置300，在该环形等离子体处理装置300中，多个等离子体源302横过工件304的宽度或者沿着工件304的长度进行堆叠。在这种几何形状中，所堆叠的环形等离子体源302能够按照各种配置来堆叠及偏移，从而允许工艺的均匀性得到控制。每个环形等离子体源302都包含管道308以及至少一个磁芯310。处理室306是两个环形等离子体源共用的。每对管道308的等离子体通量312都能够保持为独立于另一对管道。在其他实施例中，等离子体通量312是连接的管道至管道。这样的几何形状很适合于大面积的分立的工件304以及卷到卷或网型的沉积***两者，在该卷到卷或网型的沉积***中，工件304在处理室内不断移动，以沉积材料，蚀刻材料，或者改变材料的表面性质。本文所描述的等离子体处理装置300的一个特征是：环形等离子体源能够沿着固定的或移动的工件304的宽度或长度排列，以便控制工艺的均匀度和速率。
在某些实施例中，除了单个处理室306外，本教导的等离子体处理装置300还共用单个连接的室302。在这样的配置中，单个连接的室302能够被用作第二处理室。在这种配置中，能够同时处理两个移动的或两个固定的工件。在使用两个工件室的实施例中，相同的或不同的气体混合物可以被引入不同的工件室内。
具有多个等离子体源的等离子体处理装置300很适合于固定的分立基板，例如，玻璃片，这些基板共同地从一个处理室306移到下一个处理室。等离子体处理装置300能够被用来沉积材料，清理表面，或者使表面改性。适合于以等离子体处理装置300来处理的器件的实例是光伏器件(photovoltaics)和显示器。
具有多个等离子体源的等离子体处理装置300由于其在等离子体312区域下方旋转、平移或以其它方式移动工件304的能力而同样很适合于在大区域上沉积均匀的膜。在各种实施例中，工件304的移动能够受到控制以提供均匀的膜沉积并通过在较大的工件304区域上均分来自等离子体源的功率来控制工件304的温度。在各种实施例中，工件的移动能够是纯旋转或纯平移，或者旋转和平移的结合。在某些实施例中，环形等离子体源300自身被旋转和/或被平移以提高等离子体302的均匀度。在某些实施例中，工件304和环形等离子体源300两者都相对彼此而旋转和/或平移，以提高均匀度。
图4示出了根据本教导的包含具有功能分离的部分的真空室的环形等离子体处理装置400的透视图，在这些部分中，在回路的不同部分内的等离子体的状态能够由于室的局部气体注入和/或局部几何形状中的至少一项而不同。在各种配置中，某些功能分离的部分提供用于等离子体的至少一个管道以及工件对由等离子体直接或远程生成的反应物质的某种暴露。许多不同类型的反应物质能够被生成。例如，在一种实施例中，原子氢被生成。
更特别地，环形等离子体处理装置400包含具有用于支撑环形等离子体的管道402的真空室、处理室406，以及在至少一个管道402周围的至少一个磁芯408。环形等离子体处理装置400还包含同样能够用作点火口的查看口410。
图4所示的环形等离子体处理装置400示出了能够按照各种方式来使用的两个气体引入口412、414。应当理解，在各种实施例中，能够使用任意数量的气体引入口。在这些实施例中的某些实施例内，反应气体在很靠近被处理的工件处注入。在某些方法中，气体引入口412被用来引入用于在闭合的等离子体回路的大部分周围为等离子体提供易电离的路径的非反应气体，例如，氩气。当管道402主要含有氩气或者某种别的惰性气体时，在这些区域所耗散的功率将比存在工艺气体的情形少，并且对这些区域的真空室的内壁的任意化学侵蚀将会显著减少。
在这些工艺中，气体引入口414能够被用来将工艺气体引入处理室406之内。工艺气体典型地呈现出阻抗比单独的氩气高的等离子体负载。因此，与等离子体室的主要含有氩气的其他区域相比，在处理室406内的每单位等离子体长度所耗散的功率将会更大。类似地，最具侵蚀性的等离子体化学品将会位于处理室406内。本教导的环形等离子体发生器的一个特征是：各种冷却装置能够定位于最需要它们的地方，而不是均匀分散于整个等离子体回路周围。
包含真空室的各种元件可以进行电隔离，以便对等离子体提供另外的控制。这些元件可以是电浮置的，或者可以用直流和/或射频电源来产生电偏压。例如，在某些配置中，工件台板可以是电浮置的或者电偏压的。对工件台板上的偏压的控制能够在等离子体的某些区域内改变等离子体的形状或强度。此外，单独对真空室的不同部分加偏压或使其电浮置能够对等离子体内的能量耗散提供另外的控制。
工件位于处理室406内，典型地在台板或夹持器(holder)上。对于某些应用，能够对台板进行温度控制或者位置调整。工件的温度能够通过各种方法来调整，包括调整工件相对于等离子体的物理位置，调整工件相对于台板的物理位置，调整台板的温度，以及调整在工件与台板之间的气体的压力。工件的温度同样可以通过改变工件的背面的发射率或者与工件相邻的台板的表面的发射率来调整。在某些***中，台板能够包含用于在与台板相邻的表面处监测工件的温度的传感器。该传感器能够是用来自动控制生长表面处的工艺温度的闭环反馈***的一部分。作为选择，传感器可以在工件的生长面上监测工件的温度。传感器同样可以被用来监测沉积于工件的生长面上的膜的成核速度和生长速度。两种功能在某些情况下可以集成于同一传感器内。
图4的环形等离子体源400的另一个特征是：与等离子体管道部分402相比，处理室406能够具有更大的尺寸或更大的截面面积。这种几何形状提供了若干好处。例如，需要由处理室406从等离子体中吸收来的功率将被吸收到较大的区域内，从而降低内壁上的功率密度。此外，最高等离子体密度和最高气体温度的区域将更远离内壁，这将会降低冷却要求并且允许活性化学物质为部分中性化的、完全中性化的或者在到达内壁之前重新结合。另外，使用具有比等离子体管道部分更大的尺寸或更大的截面面积的处理室可允许更大的工件尺寸和/或允许用于旋转或移动工件以提高工艺均匀度的已知的机械装置。
图5示出了本教导的环形等离子体处理装置500，在该环形等离子体处理装置500中，等离子体回路的两个单独的部分延伸(propagate)穿过单个处理室。在这种配置中，真空室具有用于维持等离子体回路且允许样品直接暴露于等离子体中的反应物质的单独部分。在图5所示的配置中，两个单独的等离子体回路部分延伸穿过处理室，但是在其他配置中，三个或更多个单独的等离子体回路部分穿过处理室。在各种配置中，等离子体回路的两个单独的部分可提供待处理的量更大的工件材料。作为选择或除此之外，等离子体回路的两个单独的部分能够提供更大的工艺速度、改进的工艺均匀度或者已改变的化学品选择中的至少一项。
在其他配置中，环形等离子体处理装置具有多个单独的处理室。对于该实施例还许多不同的可能配置。例如，本教导的这个方面并不限定于C形的等离子体管道。许多别的形状也是可以的。另外，等离子体管道能够包含单个管道，或者能够包含连接在一起的两个或更多个单独的管道片段。实际上，环形等离子体处理装置能够具有任意配置，在该配置中存在至少一项局部不同的反应气体浓度、压力和/或温度。
等离子体管道和处理室元件可以按照众多方式来构造。某些制造方法包括机械加工、造型、铸造、挤压及3D打印。用于陶瓷及复合件的各种构造技术具有不同的特征，取决于材料。例如，对于3D打印，诸如冷却、气体引入及安装元件之类的内部元件可以在它们被构造时被构建到陶瓷件内。这可以提供众多优点，例如，更低的成本、更好的热管理、更好的等离子体控制，以及数量减少的真空、水及气体密封。
管道和处理室可以由各种材料构成，例如，铝、阳极氧化铝、不锈钢、氧化铝、蓝宝石、氮化铝、各种复合材料以及各种别的陶瓷材料。喷涂或其他技术可以被用来涂布诸如铝或不锈钢之类的金属，以提高抗化学侵蚀性能。即使是扩散到这些区域内的残留量的工艺气体也能够导致化学侵蚀。在某些实施例中，在金属表面上的绝缘涂层或完全绝缘的材料(例如，陶瓷材料和某些复合材料)的使用有助于限制从等离子体到内壁的电弧，该电弧能够导致硬件故障及工艺故障。难熔金属(例如，钨和钼)能够用于更高温度的操作。
图5示出了本教导的包含在管道502与处理室504之间具有可调整的气体限制的两个等离子体回路部分的环形等离子体处理装置500。至少一个磁芯506包围着至少一个管道502。电源507的输出与磁芯506电连接。环形等离子体处理装置500还包含用于提供惰性气体和工艺气体的多个气体输入口508、508’。在某些实施例中，输入口508被用来引入惰性气体，例如，氩气，而输入口508’被用来引入工艺气体。类似地，环形等离子体处理装置500还包含与真空泵耦接的多个泵出口510。本教导的等离子体处理装置500的一个特征环形是：该多个泵出口510能够被用来以不同的速率抽吸等离子体回路的不同部分，由此在等离子体回路的不同部分内产生压力差。
在这种配置中，气体分布能够通过在工艺回路内的单独的气体通道来优化。已优化的流量能够提高在固定的基板、旋转的基板或者重叠的等离子体回路上的均匀度。图5还示出了本教导的包含在处理室内的、在处理室504与管道502之间具有可调整的气体限制的两个等离子体回路部分的环形等离子体源500。可变的限制或闸门512可以安置于处理室504与每个管道502之间的位置。闸门512允许在处理室504内的工艺参数以与管道502间的某种分离进行优化。
在图5所示的配置中，在管道502从一个区域(例如，氩气吹扫区)过渡到处理室504时，管道502的出口被示为具有截面面积上的减小。在该过渡区的截面面积改变可降低到处理室504内的吹扫气体的流量，同时仍然抑制工艺气体流入或扩散到吹扫区内。但是，本领域技术人员应当意识到，截面面积改变并不是在所有应用中都是所希望的。让等离子体穿过所需的截面面积将会限制可允许的截面面积改变。最优的截面面积将通过在1～200托的压力下的工艺条件来确定。对于某些几何形状和条件，最小的截面面积将为大约0.25cm2。
图5所示的在处理室和等离子体管道室之间具有气体限制的环形等离子体源500的一个特征是：气体压力和气体组成能够针对每个管道502来单独优化。图5所示的环形等离子体源500的另一个特征是：管道502能够以氩气或另一种惰性气体或者混合气体来吹扫，而穿过处理室504的等离子体回路部分暴露于工艺气体。
图6示出了本教导的环形等离子体处理装置600，该环形等离子体处理装置600包含很靠近的或交织的两个等离子体回路管道部分602，以便创建等离子体密度及气体温度相对较高的区域。图6的环形等离子体处理装置600类似于结合图5所描述的环形等离子体处理装置600，并且含有许多相同的元件。环形等离子体处理装置600包含在管道602与处理室604之间的可调整的气体限制。至少一个磁芯606包围着至少一个管道602。电源607的输出与磁芯606电连接。环形等离子体处理装置600还包含用于提供惰性气体和工艺气体的多个气体输入口608、608’。在某些实施例中，输入口608被用来引入惰性气体，例如，氩气，而输入口608’被用来引入工艺气体。类似地，环形等离子体处理装置600还包含与真空泵耦接的多个泵出口610。本教导的环形等离子体处理装置600的一个特征是：该多个泵出口610在某些实施例中能够被用来以不同的速率抽吸等离子体回路的不同部分，由此在等离子体回路的不同部分内产生压力差。
图6所示的环形等离子体处理装置600的一个特征是：很靠近的或交织的两个等离子体回路管道部分602创建了等离子体密度和气体温度相对较高的区域，该区域能够用于需要高密度的等离子体处理的应用，例如，金刚石和类金刚石涂层的沉积。图6所示的环形等离子体处理装置600的另一个特征是：它提供了能够处理更大的单个工件的增大的工艺区。
图7示出了根据本教导的用于生成反应气体物质的远程的或下游的环形等离子体源700。在这种配置中，工件并没有紧邻等离子体，而是处于等离子体源的下游的某一距离处。本实施例的典型应用包括表面清理、蚀刻、沉积以及处理室(例如，沉积室或蚀刻室)的内壁的清理。
根据本教导的远程环形等离子体源700包含真空室，该真空室包含：管道702、反应室703、位于第一位置的用于将惰性气体引入真空室内的第一气体输入口705、在第二位置的用于引入工艺气体的第二气体输入口706，以及用于输送由反应室703生成的反应物质的反应气体出口708。
远程环形等离子体源700的一个特征是：在处理室703内的压力和反应气体浓度中的至少一项不同于在管道702内的压力和反应气体浓度中的至少一项。磁芯707包围着至少一个管道702。射频电源712具有与磁芯707电连接的输出。射频电源712给磁芯707供电，由此在真空室内形成为下游的处理生成反应物质的环形等离子体回路放电。
在操作远程等离子体源的一种方法中，氩气被注入等离子体管道区702内。待解离的工艺气体706然后被馈送到回路704的开口部分内。在某些方法中，在开敞回路704的区域内的工作压力将为0.5～40托，并且氩气(或其他惰性气体)和工艺气体706的结合流量将为0.5～40slm(标准升/分钟)。工作压力的最小值根据将解离的反应物质708快速地输送出远程等离子体源702并在重新结合之前到达工件的需要来设定。工作压力的最大值根据处理***的实际抽吸能力来设定。
在远程等离子体源700中，在等离子体内生成的带电物质通常在他们到达工件的表面之前重新结合。对于许多等离子体化学，只有反应中性的物质可有效地到达工件的表面。与远程等离子体源一起使用的典型的工艺气体706包括氢气、氧气、氮气、三氟化氮、分子氟、氯、溴、各种碳氟化合物和含氢气体，以及其他气体。这些气体能够单独使用或者与其他气体结合起来使用。
图7所示的远程环形等离子体源700的另一个特征是：等离子体回路704穿过敞开的处理室区域。因此，与本文所描述的其他实施例相比，等离子体物质与室壁的化学作用被减少。另外，与本文所描述的其他实施例相比，等离子体室壁的物理作用同样显著减少。本教导的等离子体源的一个特征远程是：因等离子体所致的热负荷在处理室内的较大的内壁区域上分散开。
图8示出了环形等离子体源800的一种实施例，该环形等离子体源800包含三个管道802及处理室806，磁芯804包围着其中两个管道802。在一种具体的实施例中，等离子体管道802的内直径约为2.54cm。其他配置具有内直径小到0.5cm的管道。在某些配置中，在至少某些等离子体管道802与处理室806之间的过渡区808的直径被减小。在一种具体的配置中，过渡区具有大约2.0cm的内直径，但是在其他配置中，过渡区可以具有可小到0.5cm且可与处理室开口一样大的内直径。
图8所示的环形等离子体源800包含两个磁芯804。在各种其他配置中，可使用一个或两个以上的磁芯。磁芯804的数量取决于维持等离子体回路所需的电压和功率。在一种具体的配置中，该三个等离子体管道802和处理室806各自约为15cm长。在图8所示的单个回路的环形等离子体源800的一种具体操作模式中，用于驱动在两个磁芯804上的初级绕组的电源具有400kHz的频率以及14kW的最大功率输出。在其他操作模式中，频率和功率能够为50kHz至14MHz或更大以及2～100KW或更大。
本教导的环形等离子体处理装置的一个优点是：沉积区的形状能够通过源的构造来裁剪。例如，如果想要线性的沉积区，则能够构造环形等离子体处理装置，使得存在笔直的工艺区。如果想要圆形的沉积轮廓，则能够按照圆形形状来构造环形源。
本教导的环形等离子体处理装置的另一个优点是：它可以与源或工件的运动结合，以便促进在大区域上的均匀处理。微波及其他类型的等离子体源不具有这种灵活性。
图9示出了根据本教导的单个等离子体回路的环形等离子体处理装置900的等距视图。在一种具体的实施例中，真空室包含等离子体管道902以及至少一个处理室904。管道902由氮化铝形成，但是在其他实施例中，等离子体管道902由其他陶瓷材料(例如，氧化铝)或金属(例如，铝、阳极氧化铝、不锈钢，或者无涂层的或由绝缘涂层涂覆的其他金属材料)形成。陶瓷管道902可以通过众多不同的技术来制造，包括造型、机械加工和3D打印。在某些情况下，同样可能和希望的是由单块陶瓷制成整个真空室，气体输入沿着真空室的长度布置于各个点。
管道902以位于等离子体管道902之内的冷却通道进行液体冷却。管道部分902同样能够以热贴附于管道部分的液冷散热器来冷却。另外，管道部分902能够以在管道部分902的外部流过的水或其他流体来冷却。在某些情况下，由于在氩气被使用时在管道部分902内的功率耗散被减小的事实，管道部分902通过空气流来冷却。
示于等离子体处理装置顶部的端盖906为水冷却、工艺气体和真空提供到等离子体源的连接。端盖906还提供用于光学视口以及各种诊断和测量元件的连接。端盖906可以由各种绝缘或金属材料构成。在端盖906由金属材料构成的实施例中，在某些情况下可能最好是使端盖906的某些部分或全部电隔离，以便降低产生电弧放电的概率。
图10示出了根据本教导的用来执行实验的环形等离子体处理装置1000。等离子体处理装置1000包含三个管道1002和处理室1004。图中示出了两个磁芯1006，但是能够在各种位置上使用任意数量的磁芯。还能够包含另外的外部永磁体或电磁体，以生成用于各种用途的外部磁场，包括优化等离子体的均匀度，将等离子体移至特定的区域，和/或改变到达期望区域的等离子体的形状。例如，永磁体能够在操作上进行定位以产生约为1,000高斯的磁场强度。实验已经被执行，结果表明：外部磁体能够被用来是等离子体沿期望方向移动若干毫米。
源还包含氩气引入口1008以及用于初始建立等离子体的点火口1010。用于工件台板的平台组件1012被示于处理室1004下方，并且在图11中进行了详细描述。等离子体回路1014被指示出。
在各种实施例中，用于提供在笔直的路径上引导等离子体的向导的结构能够集成到处理室1004或平台1012之内。在图10所示的环形等离子体源1000中，具有1.0～6.0cm的宽度以及0.5～5.0cm的深度的槽形结构被可选地固定于工作场所的夹持器(见图11)。槽形结构在笔直路径上引导等离子体，工作压力的测试范围为10～200托，气体为Ar、H2和CH4的各种混合物。因而，根据本教导的环形等离子体源1000为暴露的等离子体回路1014提供了可预测的笔直路径。根据应用，导向结构同样能够被用来在非线性的路径上引导等离子体。
许多操作方法需要测量并控制处理室内壁的温度，以便促进可控的内壁沉积。例如，在某些操作方法中，室壁温度可以被设定，使得沉积发生而不是材料被去除。这保护了壁表面并且提升了沉积膜的质量。室壁加热能够结合预涂布步骤来工作，或者能够独立于预涂布步骤。室壁加热同样能够被用来促进沉积材料于内壁上的收集，该内壁然后充当扩展的工件区。选择合适的内壁材料将同样有助于促进沉积材料在内壁上的收集。例如，钨或钼壁能够被使用并在300～1300℃的温度下操作，以便促进CVD金刚石、相关的类金刚石材料石墨烯以及类似的基于碳的材料在内壁上的沉积。
图11示出了包含用于支撑能够与本教导的环形等离子体源一起使用的工件的台板1102的工件台板组件1100的透视图。工件被安装于台板1102上，并且被***本教导的环形等离子体处理***的处理室之内。在某些操作方法中，工件能够被保持并被***等离子体放电区，同时不断地监测工件温度。
许多工艺需要在处理期间监测并控制工件的温度。工件台板1102具有内置的温度传感器1104，该温度传感器1104在等离子体处理期间测量工件温度并且给可以用来基于温度来控制过程的控制器发送信号。在一种具体的实施例中，温度利用可查看工件的背面的基于光纤的高温计来测得。包含由Omega公司制造的且作为型号IR-2C来销售的双波长高温计的环形等离子体源被建立。该高温计使用定位于工件的1厘米之内的定制的蓝宝石探针来测量工件的背面温度。通过查看工件的背面而不是工件的正面，可避免等离子体光的干扰。基板的背面同样没有直接暴露于可改变发射率的工艺气体。这些改变使基于高温计的温度测量变得更加困难且更不精确。在该***中，工件台板1102位于真空平台上，该平台可移动使得工件相对于等离子体来定位并且能够在等离子体出现时进行调整。单独的元件可以被用来为工件的背面和高温计屏蔽掉由等离子体发出的光以及在等离子体中的反应气体。
工件温度能够按照若干方式来改变和控制。工件台板组件1100还包含穿过真空法兰1108通入的流体冷却管线1106。在许多***中，使用水冷却，因为它具有相对较高的导热系数并从而是有效率的，并且因为它没有增加***的操作成本。工件台板组件1100的某些实施例包括用于改变工件相对于等离子体的位置使得在工件表面的工件温度及工艺环境两者都将改变的运动控制。改变在工件的背面和工件夹持器1102之间的间隙的大小可改变在工件与工件台板1102之间的热传导，由此改变工件温度。通过引入气体来控制在工件背面与工件台板1102之间的压力，在工件与工件台板1102之间的热传导将被改变，由此改变工件温度。
在图11中的本教导的另一个方面是：工件的背面区域能够阻止来自等离子体放电的沉积物质进入，使得在背面上的不必要的沉积得以避免。本教导的一个特征是：吹扫气体能够被引入背面区域内，以便帮助使其保持为没有不必要的气体。吹扫气体能够是工艺气体之一，或者它能够是惰性气体，例如，氩气和氦气。
众多的实验被执行以使本教导减少至使用与图10所示的等离子体处理装置类似的环形等离子体处理装置进行的实施。氩气被馈送到上室内的气体引入口中，用于初始化沉积。但是，用于点火和/或用于吹扫的等离子体管道部分的氩气的使用决不是对本发明的限定。众多别的气体，例如，包括氦气、氖气、氪气和氙气在内的稀有气体，同样可以使用。此外，在本教导的某些方法中，氮气被单独使用或者与其他气体结合起来使用。在根据本教导的某些方法中，工艺气体能够在整个等离子体容器内用于点火和操作。
为初始化操作，在整个真空室内建立起气流，气体被从处理室的底部抽吸出。氩气流量在100sccm和3000sccm之间变动，以便获得可重复的等离子体点火。在所测试的具体配置中，在连接的等离子体室的中心之间的间距为10厘米。为300sccm的最小氩气流量提供了一致的等离子体点火。更大的间距是所希望的，从而对于一致的点火需要相应大的氩气流量。
等离子体以等离子体点火器来初始化，连同以400kHz的频率对磁芯的初级绕组施加射频功率一起。点火器操作和施加射频功率的排序由板上控制***自动管理。点火器能够定位于等离子体回路中的其他地方，并且希望其在许多实施例中具有可重复的等离子体点火，与其位置无关。
一旦等离子体回路以氩气来建立，工艺气体混合物就被馈送到处理室内。氩气流量被调整为期望的流量，该期望流量能够高于或低于用来给等离子体点火的氩气流量。在许多方法中，氩气流量被调整为可基本上防止工艺气体进入等离子体回路的不处于处理室内的部分。工艺气体同样能够被调整以提供对处理室内的工艺气体的某种稀释，以便允许到达工件表面的反应气体物质的通量被调整，从而改变工艺速度和工艺条件。
在各种实验中，总的气体压力在10～200托的范围内变动，并且每种气体的流量在0～2,000sccm的范围内变动。在各种实验中使用的交流线路功率以直流功率表来测量，结果为2.5～14kW。对定位于等离子体通道内的到等离子体芯部的距离小于2cm的工件进行温度测量。这些工艺条件为100sccm的H2气流量，250sccm的Ar气流量，总的气体压力为15托。在这些实验中，测得的基板温度快速上升到超过1,000℃，指示通量显著大的原子氢正到达工件表面。
金刚石和石墨烯膜被沉积于钼和硅工件上。沉积通过解离在以耦合到等离子体放电区内的射频功率进行的放电中生成的原子氢来完成，该等离子体放电区一般具有大于大约10W·cm-3的体积功率密度。耦合到等离子体内的射频功率典型为6,000～11,000W。在某些实验中，用于金刚石沉积的气体条件包括：使氩气以1000sccm的流量流入上室内，使氢气以300sccm的流量流入处理室内，并且使甲烷以4.7sccm的流量流入处理室内。在处理室内的压力典型地大于1托。
工件平台被移动到某个位置，使得工件温度以高温计测得为大约900℃。工件温度以定位于距离工件背面小于10mm处的蓝宝石光纤来监测。由蓝宝石光纤收集的光被馈入双波长高温计，该双波长高温计可测量约为350～1200℃的工件温度。
对于某些实验，所测得的金刚石在工件上的沉积速率在13cm2的工件区域上平均约为7微米/小时。对于某些工艺条件，可测得在工件上的峰值速率为超过40微米/小时。在某些实验中，氩气和工艺气体的流量被调整以产生为2～200托以上的工艺压力。工艺速率仅受到特定的电源以及在实验中使用的磁芯的物理特性限制。金刚石膜的组成通过使用扫描电子显微镜、X射线衍射和拉曼光谱仪来确定。
本教导的环形等离子体源同样被用来生长石墨烯。用于石墨烯沉积的气流条件包括：使氩气以800sccm的流量流入上室内，使氢气以250sccm的流量流入处理室内，并且使甲烷以20sccm的流量流入处理室内。总的室内压力为7托。工件温度约为977℃。射频功率约为6200W。
本教导的环形等离子体处理装置的一个特征是：在执行了沉积循环之后，清理装置是相对较容易的。在清理过程中，环形等离子体源在以下条件下操作：气体被解离成用于从室壁上清除沉积的反应物质。例如，含氧清理气体化学和含氢气体化学在清理内壁以及含有基于碳的材料的气体内部构件时是有效的。在各种方法中，可以添加诸如氟或水蒸汽之类的其他气体来辅助清理过程。
本文所描述的方法和装置并不限定于使用氢气、氩气和甲烷的工艺，并且并不限定于金刚石、石墨烯及其他基于碳的膜的沉积。实际上，本教导的环形等离子体处理装置存在众多的应用。这样的装置特别适合于使工件暴露于高密度和/或高温的等离子体的工艺。
当在其中活性工艺气体的分压大于大约1托且等离子体放电的功率密度为10W·cm-3及更大的条件下操作时，本教导的方法和装置相对许多其他类型的已知的等离子体处理装置具有特别的优势。在这些条件下，在等离子体区内的气体温度将是很高的，典型为2，000℃以上，从而有助于有效地解离气体并维持高度解离的气体。在没有这样高的气体温度的情况下，当解离诸如氢气、氮气和氧气之类的分子气体时，会在气体内发生快速的重新结合。
本领域技术人员应当意识到，本文所描述的环形等离子体源相对已知的***具有众多的特征和优势。本教导的环形等离子体处理***的一个特征是：它能够容易地针对不同的应用进行定制。例如，不同的应用需要不同的真空抽吸配置。对于某些应用，膜的质量对残留气体的存在非常敏感。例如，来自各种来源(例如，进入真空容器的少量泄漏，来自室内的吸附气体，或者来自室内构件的腐蚀)的氧气、氮气和水蒸汽中的一种或多种，能够在某些膜中引起所不希望的变化。在其他应用中，所希望的是以可控的方式在处理室内引入小量别的气体(例如，氧气、氮气和各种卤素)。在残留气体成为工艺中的显著因素的工艺中，所希望的是具有可获得基准压力为10-7托或更好的真空室。在某些工艺中，所希望的是，在等离子体开启或关闭的情况下，使非工艺气体从内壁或从外部以小于10-2标准立方厘米/分钟(sccm)的流量释放到处理室内。
本教导的环形等离子体源的一个特征是：该装置是面积可伸缩的，并且可以被用来处理从常规的固定基板到网型基板的各种工件表面。在连续地处理移动的网时，有特别的优势，该网能够由众多类型的材料制成，例如，塑料、金属、玻璃，以及各种别的电介质材料。本教导的环形等离子体源的另一个特征是：它能够被用来生成面积可伸缩的等离子体放电，这允许有效地处理大面积的基板、形状不规则的基板以及移动的基板，例如，基于网的基板。应用包括制造各种各样的产品，包括半导体、显示器、光伏器件、切割工具、光学窗口和微波窗口，以及许多别的专用器件。管道的内表面能够用环形等离子体源来涂覆或以其它方式处理。
本教导的方法和装置对于需要高通量的原子氢的膜沉积特别有用。这样的膜包括金刚石、类金刚石碳、石墨烯和其他材料。本教导的方法和装置的应用包括(但不限于)沉积膜，例如，金刚石和石墨烯、氧化铝、蓝宝石、氮化镓，以及许多别的简单的和复杂的金属和绝缘材料、氧化物及氮化物。
等效形式
虽然本教导结合各种实施例进行了描述，但并不意味着本教导要限定于这样的实施例。相反，本教导涵盖各种替代方案、修改及等效形式，如同本领域技术人员所应当了解的，在不脱离本教导的精神和范围的情况下，可以本教导的实施例进行修改和替换。

Claims (33)

1.一种CVD等离子体处理方法，用于沉积金刚石、类金刚石碳和石墨烯中的至少一种，所述方法包括：
a)形成包含管道和处理室的真空室；
b)在第一气体输入口将第一气体引入所述真空室内；
c)对位于所述管道周围的磁芯施加射频电磁场以在所述真空室内形成环形等离子体回路放电；
d)以不同的泵浦速率抽吸真空室的不同部分，由此在等离子体回路的不同部分产生压力差；
e)将工件定位于所述处理室内，处于从热等离子芯到所述工件的表面的距离为0.1cm到5cm的范围，以进行等离子体处理；以及
f)在第二气体输入口将含氢的气体引入到所述工件附近使得所述环形等离子体回路放电产生原子氢。
2.根据权利要求1所述的方法，包括在多个第一气体输入口将所述第一气体引入所述真空室内。
3.根据权利要求1所述的方法，包括在多个第二气体输入口将所述含氢的气体引入到所述工件附近。
4.根据权利要求1所述的方法，包括通过多个泵出口来以不同的速率抽吸真空室的不同部分。
5.根据权利要求1所述的方法，其中将所述含氢的气体引入到所述工件附近而在所述工件处取得至少1托的气体压力。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所吸收的射频功率大于10W·cm-3。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一气体包含氩气。
8.根据权利要求1所述的方法，其中将所述含氢的气体引入到所述工件附近而在所述工件处取得1托～100托的范围的含氢的气体的压力。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括耦接射频电磁场使得等离子体的功率密度为至少100W·cm-3。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括使所述工件相对等离子体平移以提高所述CVD等离子体处理的均匀度。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括使所述工件相对等离子体旋转以提高所述CVD等离子体处理的均匀度。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括控制所述工件的表面处的温度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中控制所述工件的表面处的所述温度包括控制支撑所述工件的台板的温度。
14.根据权利要求12所述的方法，其中控制所述工件的表面处的所述温度包括调整支撑所述工件的台板相对所述热等离子体芯的位置。
15.根据权利要求12所述的方法，其中控制所述工件的表面处的所述温度包括调整所述工件附近的所述含氢的气体的压力。
16.根据权利要求1所述的方法，还包括对支撑所述工件的台板加电偏压以改变所述工件附近的等离子体的形状。
17.根据权利要求1所述的方法，还包括调整所述处理室与所述管道之间的气流。
18.根据权利要求1所述的方法，还包括将含碳的气体引入到所述工件附近。
19.根据权利要求1所述的方法，还包括测量所述工件的温度并且响应于测量结果而调整所述射频电磁场的射频功率。
20.根据权利要求1所述的方法，其中所述管道内的氢的分压不同于在所述处理室内的氢的分压。
21.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件的所述表面上的原子氢将所述工件加热到期望温度。
22.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述真空室还包括：将所述处理室形成为截面面积大于所述管道的截面面积。
23.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述真空室还包括：由选自熔融的二氧化硅、氧化铝、氮化铝、复合材料和蓝宝石的电介质材料形成所述管道。
24.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述真空室还包括：由选自铝、钢、铜、镍、钨、钼，以及铝、钢、铜、镍、钨和钼的合金的导电材料形成所述管道。
25.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述真空室还包括：将所述管道形成为具有接近所述处理室而改变的截面面积。
26.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述真空室还包括：将所述处理室形成为内表面包含可抑制电弧、腐蚀和工艺污染中的至少一项的电绝缘涂层。
27.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述真空室还包括：将所述管道安装成具有用于防止与所述处理室之间的电气短路的绝缘套环。
28.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述真空室还包括：在所述管道内形成内部流体冷却通道。
29.根据权利要求1所述的方法，其中对位于所述管道周围的磁芯施加射频电磁场以在所述真空室内形成环形等离子体回路放电包括：施加频率为20KHz～14MHz范围的射频电磁信号。
30.根据权利要求1所述的方法，其中将工件定位于所述处理室内还包括：将所述工件定位为使得所述工件暴露于两个环形等离子体回路放电中的反应物质。
31.根据权利要求1所述的方法，其中将所述含氢的气体引入到所述工件附近而在所述工件处取得200托以上的压力。
32.根据权利要求1所述的方法，其中所述含氢的气体和引入所述真空室内的所述第一气体在不同的气体端口处引入。
33.根据权利要求1所述的方法，其中所述含氢的气体和引入所述真空室内的所述第一气体在相同的气体输入端口处引入。
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