CN1057422C - 微波等离子吹管 - Google Patents

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Abstract

微波等离子吹管，包括：一具有抽真空装置的真空容器；一同轴波导，其包括一内导体、一外导体，该波导的第一端部分与微波供给装置连接，第二端部分与该空容器连接，由此将微波沿同轴波导的波导轴导入到真空容器中；一气体供给装置，用于沿多个喷射轴将气体喷入真空容器，在该微波等离子吹管中，至少多个喷射轴中的两个在第二端部分中不与波导轴相交，且不在垂直于波导轴的平面中，在第二端部分附近，内导体与外导体直径之比沿波导轴自第一端部分向第二端部分减小。

Description

微波等离子吹管
本发明涉及微波等离子吹管。更具体地，本发明涉及用于以高速度及高纯度地沉积由高熔点材料作的膜或晶体薄膜的微波等离子吹管。
传统的等离子吹管可大致分类为用于频谱分析的低输出等离子吹管，或用于作焊接、热喷涂、熔化切割等的热能源的高输出等离子吹管。但是，如果基于产生等离子体的方法来分类传统的等离子吹管时，传统的等离子吹管可分作以下各类：使用直流电流(DC)电弧放电的等离子吹管；使用电感耦合射频(以下简称为“RF”，该频率在约4MHz至13.56MHz的范围中)放电的等离子吹管；或使用微波(该频率约为2.45GHz)的等离子吹管。
在使用DC电弧放电的传统等离子吹管中，其中使用的电极被不利地侵蚀。但是，只要使用高密度及高温的等离子体用作热源，就不会产生任何问题。因为在使用电感耦合RF放电的等离子吹管中的电极之间不产生电弧放电，故可获得其中混有更小杂质量的等离子火焰。尽管如此，为了在高压，如超过100乇(Torr)(这在形成热等离子体时是必须的)下维持放电，则需要高达几百KW的功率。此外，必须使用气体流来保护设在感应线圈内部的玻璃管，以此来阻止感应线圈与等离子体之间的接触。
与这两种传统的技术相比，微波等离子吹管具有下列特点(a)至(c)。即就是，(a)可以不使用电极产生放电；(b)甚至在超过100乇的高压下，与RF放电方法相比可以在减少约二位数的低功率损耗下维持电弧放电；及(c)由于不需要设置感应线圈及玻璃管，微波等离子吹管单元可构成小尺寸的单元。因此，利用布置多个这样的单元，可进行有大规模的处理。因为微波等离子吹管具有这些特点，因此微波等离子吹管可期望不仅应用于热等离子处理技术，而且也可应用于高纯度地处理薄膜材料的技术。
传统的微波等离子吹管是公知的，例如已由日本公开专利文献No.3-57199公开。在该专利文献公开的等离子吹管中，为了传播微波，在同轴波导端部外导体的直径被设置得小。在这样一种构型中，电场将集中在同轴波导的端部分上，由此产生了电弧放电。
然而，传统的微波等离子吹管具有下列问题。首先，由于内、外导体的一部分被其中产生的电弧放电不利地侵蚀，构成内、外导体被侵蚀部分的物质成分不被希望地作为杂质被混入到产生出的等离子体中。此外，外导体直径的减小也同样使同轴波导端部的阻抗降低。其结果是，由于电能在同轴波导的端部被反射及吸收，阻抗不能被满意地匹配，并且难于稳定地维持放电。再者，在沿圆周方向导入的气流与沿径向导入的气流汇合的点上，易于产生紊流，因而难于获得一稳定的等离子火焰。
本发明的微波等离子吹管包括：一个具有抽真空装置的真空容器；一个同轴波导，它包括一个内导体、一个外导体，该同轴波导的第一端部分与供给微波的微波供给装置相连接，及该同轴波导的第二端部分与真空容器相连接，由此将从微波供给装置供给的微波沿同轴波导轴导入到真空容器中；及一个气体供给装置，用于沿多个喷射轴将气体喷入真空容器。在该微波等离子吹管中，至少多个喷射轴中的两个在第二端部位置中相对于波导轴处于扭转位置上，并且不在垂直于波导轴的平面中及在第二端部附近，内导体直径与外导体直径之比沿波导轴自第一端部向第二端部减小。
在一个实施例中，气体供应装置包括布置在第一端部分及第二端部分之间的一个介电板，并包括多个用于使气体沿多个喷射轴喷射到真空容器中的喷气孔。
在另一实施例中，介电板具有耐热性。
在又一实施例中，所有的多个喷射轴相对于微波轴处于扭转位置上，并且不在垂直于波导轴的平面中。
在另一实施例中，在第二端部分附近的内导体顶端部分被一个耐热介电板覆盖。
在又一实施例中，介电板包含与气体中所含反应物质中成分相同的成分。
在另一实施例中，内导体至少包括一个喷气孔，用于在第二端部分中喷射气体。
在又一实施例中，在第二端部分中内导体比外导体更多地伸入到真空容器中。
在另一实施例中，内导体的第二端部分被分成多个分支。
在又一实施例中，该微波等离子吹管还包括一个梯度磁场发生装置，用于产生沿波导轴自第一端部分向第二端部分其强度逐渐减小的磁场。
在另一实施例中，该梯度磁场发生装置在真空容器中离开同轴波导第二端部分的点上所产生的磁场强度足够引起一种电子回旋加速共振(ECR)状态。
在又一实施例中，该微波等离子吹管还包括一个旋转磁场发生装置，用于在真空容器中产生一旋转磁场。
在另一实施例中，该微波等离子吹管包括多个同轴波导及多个气体供给装置。
根据本发明另一方面的微波等离子吹管包括：一个具有抽真空装置的真空容器；及一个同轴波导，它包括一个内导体、一个外导体，该同轴波导的第一端部分与供给微波的微波供给装置相连接，及该同轴波导的第二端部分与真空容器相连接，由此将从微波供给装置供给的微波沿同轴波导轴导入到真空容器中。在该微波等离子吹管中，内导体至少包括一个用于喷射气体的喷气孔，并且内导体在第二端部分中比外导体更伸入到真空容器中。
根据本发明的又一方面，提供了一种用于在真空中产生等离子体的方法。该方法包括以下步骤：将微波沿第一轴导入到真空容器中，及在产生等离子体的真空容器的内部空间中产生具有与第一轴平行的速度矢量的螺旋气体流。
在一个实施例中，该用于产生等离子体的方法还包括产生一个具有沿第一轴朝真空容器的方向上减小的强度的磁场的步骤。
在另一实施例中，该用于产生等离子体的方法还包括在真空容器中产生旋转磁场的步骤。
因此，这里所描述的本发明可以实现这样的优点，即提供了一种微波等离子吹管及一种产生等离子体的方法，其中构成等离子吹管的物质成分不会作为杂质混入到等离子体中，由此可沉积具有高纯度的晶体薄膜及类似物。
在对以下参照附图的详细说明的阅读后，对于熟悉本领域的技术人员来说将会对本发明的这些优点及另外的优点更加明白。
图1是说明根据本发明第一例的微波等离子吹管结构的横截面图；
图2表示耐热介电板的一个示范结构；
图3A至3C表示耐热介电板的另外示范结构；
图4A及4B表示喷射轴及气体喷射角对等离子火焰形状的影响；
图5A及5B表示气体喷射半径对等离子火焰形状的影响；
图6表示一种喷气孔的构型，其中扭转角设为10度；
图7A是表示通过外导体5a的内壁设置的喷气孔的横截面图，而图7B是通过外导体5a的内壁设置的喷气管的横截面图；
图8是说明根据本发明第二例的微波等离子吹管结构的横截面图；
图9是说明根据本发明第三例的微波等离子吹管结构的横截面图；
图10A是说明根据本发明第四例的微波等离子吹管结构的横截面图，而图10B是说明在同轴波导5的内导体5b的中心轴上磁场强度的波形图；
图11是说明根据本发明第五例的微波等离子吹管结构的横截面图；
图12是说明围绕图11中波导轴布置的一组螺线管线圈的顶视平面图；
图13表示产生在真空容器1中的一个磁场；
图14是表示根据本发明第六例的微波等离子吹管结构的透视图；
图15是表示根据本发明第七例的微波等离子吹管结构的横截面图。
以下利用参照附图对例子的说明来描述根据本发明的微波等离子吹管及产生等离子体的方法。在以下的附图中用同样的标号表示相同的部件。【例1】
图1是表示根据本发明第一例的微波等离子吹管结构的横截面图。待被处理的衬底14被保持在一个真空容器1中。这里“处理”包括：例如半导体制造过程中的沉积工艺步骤及表面处理。真空容器1设有一个抽真空装置(未示出)，由此获得约10-5乇压力的真空。在下列例1至7中，在进行等离子处理前压力降到约10-5乇。此后，当等离子火焰产生时，将反应气体及放电气体如下文所述地喷射。因而，在等离子处理期间真空容器1内部的压力变为约100至150乇。
一个矩形波导2沿着图1中箭头X所示方向将由一微波发生器(未示出)馈入的微波进行传播。微波的频率例如为2.45GHz。使用了型号为WRJ-18的矩形波导作为矩形波导2。一个短路器3将矩形波导2终止在所需阻抗上，由此阻止矩形波导2端部损耗的产生。一个侧脊4变换微波的方式，由此使矩形波导2与一个同轴波导5之间的连接部分中的阻抗匹配。外导体5a及内导体5b组成该同轴波导5(例如使用的型号为WX-39D)。内导体5b其中具有空心部分，冷却水管7设在内导体5b内部用于冷却水循环。
输入到同轴波导5的微波经由介电板8传输并馈给真空容器1。介电板8是由传输微波的材料制作的板，例如防蚀铝(alumite)板，并有助于维持真空容器1的空气密封。该介电板8的比介电常数最好在1至9的范围中。这是因为，如果同轴波导的阻抗为50Ω，则内导体的直径与外导体的直径之比将变大，并且不能获得实用的同轴波导。
同轴波导5在外导体5a的一个端部分9上与真空容器1相连接。在位于外导体5a的端部分9附近的圆锥部分50中，在自介电板8朝真空容器1的方向上内导体5b的直径逐渐减小，而外导体5a的直径逐渐增大。换句话说，同轴波导5的内导体5b的直径与外导体5a的直径之比在圆锥部分50中单调地下降，由此阻止同轴波导5相对于微波的阻抗在外导体5a的端部分9的附近中突然的变化。其结果是，可阻止在圆锥部分50中反射波的产生并且能以低损耗将微波馈送到真空容器1的空间内部。此外，阻抗能容易地作到匹配。短线调谐器12使圆锥部分50中的阻抗匹配。微波沿波导的一个轴传播，如以下将描述的，然后被辐射到真空容器1中的空间内。
尤其是，在设置介电板的点上同轴波导5的阻抗为50Ω，外导体5a的端部分9中为138Ω(如果内导体5b的直径假定零，则同轴波导5可被视为圆柱形波导)。介电板8与外导体5a的端部分9隔开80mm的距离，它即为圆锥部分50的长度，并在介电板8和外导体5a的端部分9之间的部分中阻抗从50Ω实质上单调地上升到138Ω。
在同轴波导5及真空容器1之间的连接部分的附近设置了一个耐热的介电板11。在本发明中，“耐热”介电板被设想为具有的熔点为3000℃或更高。这种耐热介电板11例如由氮化硼构成。该耐热介电板11不会由于其热阻而破裂或变形，甚至当该耐热介电板11放置于接近高温处的等离子体时也是如此。因此，可以对耐热电板11设置气体喷射孔10。一种放电气体通过该喷气孔10喷放。这里“放电气体”指产生及维持放电的气体，也同样指为“载体气体”。氢气例如可被作放电气体。
图2表示耐热介电板11的结构。如图2中所示，在该耐热介电板11中设有多个喷气孔10(在该例中为12个孔)，并且相对于内导体5b的中心轴是轴对称的。在该说明中，在同轴波导5的圆锥部分50处的内导体5b之中心轴将被称为“同轴波导5的波导轴70”，用以确定微波的传播方向。当内导体5b的中心轴在圆锥部分50处是弯曲的时，波导轴70被定义为在同轴波导5端部分处内导体5b的中心轴。在通过喷气孔10后气体立即喷出，所沿的轴被称为“喷射轴60”。如图2中所示，所有的喷射轴60对于波导轴70处于“扭转”位置，并且不在与波导轴70垂直的平面中。“扭转”位置关系在这里是指两条直线之间彼此不平行且彼此不相交的关系。每个喷气孔10的直径约为0.5mm。通过喷气孔10喷出的放电气体经过真空容器1朝着衬底14的附近流动并形成了不会产生紊流的螺旋流。以螺旋形状流动的放电气体被由微波产生的射频电场转变成等离子体，由此形成了等离子火焰15。因为在放电气体中不产生紊流，故可在宽广的空间上保持均匀及稳定的放电，以致可获得均匀且稳定的等离子火焰。因而，大尺寸的衬底可受到均匀的处理。
喷气孔10的数目不限制为12，但是要等于或大于2。如果多个喷射轴中至少有两个相对波导轴处于扭转位置，且不在垂直于被导轴的平面中，便可获得上述优点，因为放电气体形成只带很小紊流的螺旋形状。但最好是，所有的多个喷射轴相对波导轴均位于扭转位置，且不在垂直于波导轴的平面中，则去螺旋形状的气体流中产生极小的紊流。
内导体5b具有一个中心进气口13。反应气体通过该中心进气口13进入到高温中的等离子火焰的核心。其结果是，反应气体高效地被分解，并使衬底能以高速率被处理。这里“反应气体“是指用于衬底表面处理(例如沉积)的气体。例如在沉积硅膜的情况下，使用单硅烷(SiH4)气体作为反应气体。
当根据本发明第一例的等离子吹管工作在下列条件时：氢气的流速为2000cm3/分钟；真空容器1内部环境压力为150乇；微波发生器的微波输出为1KW或更小，可在衬底14上均匀地沉积高纯度的多晶硅薄膜。
因为在圆锥部分50中同轴波导5的内导体5b的直径与外导体5a直径的比单调地下降，直到微波到达同轴波导5及真空容器1之间的连接部分时才反射微波功率，因此可高效率地传输并使阻抗得到满意的匹配。其结果是，可以消除由集中电场引起的电弧放电，并防止构成波导的部件及类似部件作为杂质被掺入。
微波通过真空容器1的内空间作为电波被传播，因此可在同轴波导5的外部产生出等离子体。其结果是，可沉积出具有更高纯度的薄膜。
虽然没有耐热性的介电板可用来代替耐热介电板11，但最好使用有耐热性的介电板，因为在介电板附近存在高温等离子火焰。
图3A至3C表示耐热介电板11的另外构型。耐热介电板11并不限制于图2中所示，它可包括图3A至3C中所示的孔10。在图3A至3C所示的喷气孔10中，在第二端部分中多个喷射轴相对微波位于扭转位置上，且不在垂直于微波轴的平面中。
图4A及4B表示气体喷射轴与垂直于波导轴的平面(或耐热介电板平面)之间形成的角度(以下称该角度为“喷射角”)对等离子体火焰的影响。在图4A及4B中，朝着真空容器1的耐热介电板11上的喷气孔与内导体5b中心的距离(以下该距离被称为“喷射半径”)是相等的，但是气体可用不同喷射角喷射。具体为，在图4A中喷射角是30度(等于上述等离子吹管的角度)，而图4B中喷射角是60度。在使用图4B中所示喷气孔的情况下，气体流经等离子体的时间短于通过图4A所示喷气孔喷气情况下的相应时间，因此气体在较短的时间周期中被等离子体加热。这就是说，利用改变气体喷射角，可以改变气体的加热时间。因此，利用改变喷气角，可以作到根据被处理气体的种类控制气体分解及分离的程度。例如，在使用等离子吹管沉积一种膜的情况下，可以利用改变喷气角控制气体分离的程度，由此使产生的膜的特性也受到控制。对于形成具有低紊流的气流，该喷气角最好接近30至60度的范围。
图5A及5B表示气体喷射半径对等离子火焰形状的影响。在图5A及5B中，喷气角是相等的(两种情况中均为30度)，但是气体喷射半径不同。具体地，图5B中的喷射半径大于图5A中的喷射半径，图5B中所示等离子火焰的直径大于图5A中所示等离子火焰的直径。就是说，利用改变气体喷射半径，可改变等离子火焰的直径，由此改变由等离子体处理的区域。例如，在利用等离子体处理一种衬底的情况下，利用将喷射半径设置得如图5B中所示那样大，可以均匀地处理大面积的衬底。相反地，利用将喷射半径设置得如图5A中那样小，可以用高密度等离子体处理小面积的衬底。
图6表示喷气孔10的另一构型，其中耐热介电板11的半径与气体喷射轴之间形成的角度(以下称该角度为“扭转角度”)被置为10度。在以上说明中，该扭转角为30度。在使用图6中所示喷气孔10的情况下，沿着径向的喷射气体的速度矢量变为占优势，以致气体流彼此非常频繁地形成接触，并产生了紊流。其结果是，等离子火焰变为不稳定。如果该扭转角设置为90度(未示出)，则沿着圆周方向的喷射气体的速度矢量变为占优势，以致不会形成螺旋流，并产生出紊流。其结果是等离子火焰也变得不稳定。为了产生稳定的等离子火焰，扭转角需在约30度至约60度的范围中。
在以上说明中，气体喷射方向是利用对耐热介电板11设置喷气孔10来确定的。换一种方式，可以不使用设有喷气孔的耐热介电板进行气体喷射。图7A及7B是表示其中不设有耐热介电板的接近圆锥部分50的喷气结构部分的放大图。在图7A及7B中未示出的其余部分与图1中所示的相同。
图7A表示通过外导体5a内壁设置的喷气孔80，而图7B表示穿过外导体5a内壁设置的喷气管85。在图7A及7B所示的气体喷射结构中，喷射轴相对波导轴处于扭转位置且不在垂直于波导轴的平面中，因此沿着这些轴的气体喷射形成了螺旋流。如果喷气孔80如图7A中所示地设置，喷射半径变大，因此可形成大的等离子火焰。另一方面，如果如图7B中所示地设置喷气管85，则气体可以喷射到内导体5b顶端部分的附近。
以下将对图7A及7B中所示的喷气结构与使用耐热介电板的喷气结构相比较。在图7A所示结构中，喷射孔位于远离内导体5b中心轴的位置上，因此气流散布开来并在等离子火焰的中心部分中产生出紊流。在此情况下，如果气流的流速设得大，则可以防止气流散布开来。但是，气体被微波在较短时间周期中加热，并使产生的等离子火焰变小。因而，等离体变得不稳定。所以，宁可优先使用具有耐热介电板的结构而不使用图7A中所示的结构。在使用由金属材料如SUS作的喷气管的情况上，必须防止喷气管85和内导体5b之间的电弧放电。因此，喷气管85最好用介电材料制作。鉴于具有耐热介电板的结构的构型简单，宁可优先使用具有耐热介电板的结构，而不使用图7B中所示的结构。
虽然在该第一例中放电气体是通过排气孔10喷射的，及反应气体是通过中心进气口13喷入的，但被喷射的气体及喷射气体的喷气孔均不局限在这种构型上。例如，放电气体可通过中心进气口13喷入，而反应气体可通过喷气孔10喷入。也可在喷入真空容器前使放电气体与反应气体混合，然后将该混合气体通过喷气孔10及中心进气口13两者喷入。【例2】
图8是表示根据本发明第二例的微波等离子吹管结构的横截面图。如图8中所示，在图锥部分50的附近设有耐热介电板11及板状保护介电板16。布置在等离子火焰15附近的保护介电板16中包含与供入气体中反应物质所含成分相同的成分。内导体5b的顶端部分也被保护介电板16覆盖住。换句话说，内导体5b的顶端部分没有从保护介电板16的表面中伸出。
在通过喷气孔10喷射的气体其流速为1200cm3/分钟或更小的情况下，该构型是特别有效的。在单位时间周期中的气体流速小及微波输出超过2KW的情况下，等离子火焰变大，以致内导体5b的顶端部分可能与等离子火焰15形成接触。但是，如果内导体5b的顶端部分覆盖有包含和气体反应物质所含成分相同成分的保护介电板16时，甚至当等离子火焰15与保护介电板16形成接触也不会有杂质混入到等离子火焰15中。其结果是，可沉积高纯度的膜。在反应气体包含SiH4的情况下，可使用单晶硅或多晶硅作的高纯度硅板作为保护介电板16。同样地，该保护介电板16最好是耐热的。【例3】
图9是表示根据本发明第三实施例的微波等离子吹管结构的横截面图。如图9中所示，内导体5b的顶端部分具有在圆锥部分50附近的许多分支。从分支顶端部分17向真空容器1的空间辐射的微波不是象在第一例中局部地辐射而是在一个宽的立体角上辐射的。其结果是，形成了更大的等离子火焰，并且该例的等离子吹管适于处理大尺寸的衬底。【例4】
图10A是表示根据本发明第四例的微波等离子吹管结构的横截面图，而图10B是表示同轴波导5的内导体5b的中心轴上磁场强度的曲线图。待处理的衬底14被保持在真空容器1中。
矩形波导2接收来自微波发生器(未示出)的微波，并通过用于改变波导厚度的侧脊4使微波传播到同轴波导5。同轴波导5包括一个圆柱形外导体5a及一个圆柱形内导体5b。外导体5a及内导体5b共同具有一个中心轴。内导体5b与侧脊4相连接，且该内导体5b的顶端部分从矩形波导2的反向表面伸出。外导体5a与矩形波导2的外周边相连接。矩形波导2在这里是用于向同轴波导5导入微波的。另外，也可使用其它类型的波导，只要其能将微波导入同轴波导5。对于外导体5a及内导体5b设置的介电板8使真空容器1内部维持真空。
在圆锥部分50中沿着朝真空容器1的方向，内导体5b的直径逐渐减小，而外导体5a的直径逐渐增大。这就是说，同轴波导5的内导体5b的直径与其外导体5a的直径之比在圆锥部分50中单调地减小，因此可以在圆锥部分50中阻止反射波的产生，并可低损耗地使微波传输到真空容器1的内空间中。冷却水从设在内导体5b上方的冷却水进口34注入；流经内导体5b内部的水管23；再从冷却水出口35流出。
外导体5a在介电板8的下方设有进气口36。在同轴波导5的圆锥部分中设有耐热介电板11。该耐热介电板11上设有喷气孔10，用于获得气体等离子体的稳定性及可控性。内导体5b具有在水管23内部的中心进气口13。反应气体通过中心进气口13导入高温中的等离子火焰的中心。反应物质可通过该中心进气口13喷入。
在外导体5a的外面设有螺线管线圈38a及38b(内径：250mm；外径：400mm；高：100mm)。利用对流过螺线管线圈38a及38b的电流的控制，可以从吹管上部分产生出一梯度磁场。这里“梯度磁场”是指具有沿一方向单调增大或减小的强度的磁场。
以下，将描述具有上述结构的微波等离子吹管的真空操作示范条件及在此条件下形成的等离子火焰。首先，真空容器1被抽空到10-5乇。然后将50A的直流电流提供给螺线管线圈38a，将20A直流电流提供给螺线管线圈38b。在这种情况下，产生出如图10B中所示的梯度磁场。在同轴波导5的上部分(在侧脊4边)，沿着轴向的磁场强度为2KG或更大。另一方面，沿着同轴波导5的轴向朝着它的下部分(在真空容器1边)，磁场强度减小。在衬底14侧上距耐热介电板11为5mm的点上，磁场强度为875G。在此情况下，例如使氩气以1000cm3/分钟的流速供入中心进气口13，由此使气体喷入到真空容器1中。此外，也使氩气以2500cm3/分的流速供入到进气口36，因此使气体以螺旋形状经过喷气孔10喷射。真空容器1的内部保持100乇。利用磁控管(未示出)产生出具有频率为2.45GHz及功率为2KW的微波，然后将其沿X轴方向供给其尺寸为109mm×54.5mm的矩形波导。以TE(横向电波)10方式输入到矩形波导2的微波被侧脊4转换成TEM(横向电波及磁波)的方式，并通过同轴波导5(内径：18mm；外径：42mm)传播。然后微波经过由聚四氟乙烯作的介电板8及由氮化硼作的耐热介电板11，由此被供入真空容器1中。
供入真空容器1的微波使喷入气体电离。在使用其频率为2.45GHz的微波及磁场强度为875G的情况下，即使在低真空区域中电子实质处于电子回旋加速共振(ECR)状态，并且电子密度高于其它区域。因此，在磁场强度为875G的点上产生出等离子体，且等离子火焰15朝着磁场强度变弱的方向径向地延伸。这里“ECR状态”是指由磁场引起的电子回旋运动周期等于通过等离子体传播的电磁波的频率的状态。在此状态下，引起了共振现象并使电子加速，由此使电子密度变大。电子是否处于ECR状态仅取决于微波的频率及磁场强度。在此情况下，因为微波频率为2.45GHz，若磁场强度为875G时电子状态便变为ECR状态。本发明基于试验结果证实了，等离子火焰产生在朝衬底14侧距离设于同轴波导5开口中的耐热介电板11约5mm的点上。在该例中，等离子体可在与耐热介电板11隔有距离的点上产生出来。因而，在反应气体及反应物质通过中心进气口13供入时，反应物质便沉积在衬底14上或在其上增长，并可防止构成等离子吹管的部件及耐热介电板11的物质作为杂质被混入到等离子体中。其结果是，可高效率地生成高纯度的反应物。
另一方面，如果供给螺线管线圈38a及38b的电流量增加10A，由此使磁场强度分别增大，则使磁场强度为875G的点向下(朝衬底14侧)移动30mm。本发明基于试验结果已证实，此情况下等离子火焰15也向下移动相同的距离。这就是说，通过控制梯度磁场的强度，可以随意地控制等离子体产生的位置。
在此例中，梯度磁场是使用螺线管线圈产生的。此外，也可使用任何其它的线圈，只要能产生出类似于图5B中所示的磁场即可。因此，线圈的类型等并不限定在上述螺线管线圈的类型上。
为避免杂质混入到等离子体中，提供ECR状态的点最好位于离开耐热介电板11至少2mm处。为了提供该状态，当微波频率为2.45GHz时必须使磁场强度为875G的点位于距耐热介电板至少2mm处。【例5】
图11是表示根据本发明第五例的微波等离子吹管结构的横截面图。在螺线管线圈38a及38b的下方设置了一组螺线管线圈40。图12是表示围绕图11的微波轴布置的这组螺线管线圈40的顶视图。这组螺线管线圈40包括三对螺线管线圈40a及40b，40c及40d，和40e及40f。这三对螺线管线圈这样地布置，即在产生的每两根磁力线之间形成60度的角度。
首先，将直流电流供给螺线管线圈40a及40b，以使得磁场方向从螺线管线圈40a转向螺线管线圈40b。接着，将直流电流提供给螺线管线圈40c及40d，以使得磁场方向从螺线管线圈40c转向螺线管线圈40d并关断供给螺线管线圈40a及40d的电流。然后，利用对相应的螺线管线圈依次地提供及关断直流电流，以使得磁场方向从螺线管线圈40e转换到螺线管线圈40f，从螺线管线圈40b转换到螺线管线圈40a，从螺线管线圈40d转换到螺线管线圈40c，及从螺线管线圈40f转换到40e，于是在真空容器1的内空间中产生出旋转磁场。
在该旋转磁场产生出的状态下，便产生出等离子火焰15。利用将50A的直流电流供给螺线管线圈38a及将20A的直流电流供给螺线管线圈38b，产生出如图10B所示的梯度磁场。然后，通过将30A的直流电流依次地供给各个螺线管线圈40a至40f，就产生出旋转磁场。
图13表示产生于真空容器1中的磁场。在接近同轴波导5的开口处的点上其磁场方向如图13中所示地改变。在图13中，箭头表示内螺线管线圈38a及38b产生的静态磁场及由螺线管线圈组40产生的旋转磁场所合成的磁场的方向。
在此情况下，例如以1000cm3/分钟的流速通过中心进气口13供入氩气。此外还以2500cm3/分钟的流速通过进气口36供入氩气，以使气体以螺旋形状通过喷气孔10喷入。真空容器1内部压力保持在例如100乇。将具有频率为2.45GHz及功率为2KW的微波供给矩形波导2。通过耐热介电板11辐射的微波使通过喷气孔10喷入的气体电离。本发明基于实验结果证明，等离子火焰15以与第四例中相同的方式产生在距离耐热介电板11约5mm的点上并从该点流向衬底14侧。在等离体15上施加磁场力的磁场具有相对于微波波导轴旋转的矢量。在等离子体中电子被该磁场束缚住，由此可以阻止电子撞击到真空容器1的壁上及消失。其结果是，可以在宽广范围中产生并维持高密度等离子体。本发明基于试验结果已证实，具有沿微波波导轴方向延伸长度的等离子火焰被产生出来。该旋转磁场每秒钟的转数最好例如在50至60范围中。【例6】
图14是表示根据本发明第六例的微波等离子吹管结构的透视图。该例的等离子吹管包括多个根据以上例1至5中任一个的等离子吹管单元。例如，一组等离子吹管19由四个第一例等离子吹管单元18布置形成。在此例中，矩形波导2被分成四个分支，由此向各个等离子吹管18提供微波。如果等离子体由各等离子吹管18以与第一例相同的方式产生出来，则各等离子火焰15分别形成在一个延长的区域中。利用将衬底14放置在等离子火焰15的下方，并以图14中箭头所示方向移动衬底14，便可处理衬底的大面积部分。
在该例中，矩形波导被分成多个分支。但是矩形波导并不局限于这种分支的波导上，但也可以用任何形状形成，只要电力能被提供到各个等离子火焰上即可。此外，等离子吹管的布置不限于纵向的行。例如等离子吹管可布置成一个圆圈。【例7】
图15是表示根据本发明第七例的微波等离子吹管结构的横截面图。该第七例的等离子吹管与第一例的等离子吹管相似，所不同的是内导体5b的顶端部分18比外导体5a沿波导轴更伸入，且不设有耐热介电板11。在圆锥部分50中，同轴波导5的内导体5b的直径与其外导体5a的直径之比单调地减小。将反应气体通过中心进气口13导入高温中的等离子火焰15的核心。其结果是，反应气体被高效地分解，且衬底能高速地以与第一例相同的方式被处理。
因为内导体5b的顶端部分18比外导体5a更伸入，在顶端部分18中可产生具有直径为5mm或更小的等离子火焰15。其结果是，使用该例的等离子吹管可处理衬底的小面积部分。具体地，当外导体5a为39D(39mm)时，为了产生稳定的小等离子火焰，如图15中所示的内导体5b伸入的顶端部分18的长度p为约10mm。如果该长度p大于此长度值，等离子火焰将变得不稳定。相反地，如果长度p短于此长度值，等离子火焰就产生在内、外导体之间，因此等离子火焰也变得不稳定。
在第一至第七例的说明中，“介电板”，“耐热介电板”的用词等并不是使介电板形状限制在“板状”的材料上。换言之，块状的介电材料也可用来代替板状材料。
在例4中所描述的用于产生梯度磁场的单元也可与在例1-3及6-7中所描述的产生等离体的微波等离子吹管及方法相结合。此外，在例5中所述的用于产生旋转磁场的单元可与例1-3及6-7中所述的产生等离子体的微波等离子吹管及方法相结合。
在根据本发明的等离子吹管中，至少多个喷射轴中有两个相对于波导轴处于扭转位置上，并且不在垂直于波导轴的平面中。其结果是，通过供气部分喷射的气体经过真空容器并形成螺旋流，而不产生紊流，因此可在宽广的空间上维持稳定及均匀的放电。在所有的多个喷射轴相对波导轴位于扭转位置，并且不在垂直于波导轴的平面中的情况下，可以进一步地减小由气体产生的紊流量。
如果在同轴波导的圆锥部分中沿波导轴朝着真空容器方向上，同轴波导的内导体直径与其外直径之比减小时，则有可能在令人满意的匹配状态下，高效地将微波传播到同轴波导的开口处。其结果是，不会产生由于集中电场引起的电弧放电，并且构成等离子吹管部件的物质也不会作为杂质被混入到等离子体中。因为微波是辐射到真空容器中的，等离子体可在离开同轴波导的点上被产生出来。因此，构成同轴波导部件的物质不会作为杂质被混入到等离子体中。由于可以阻止杂质混入到等离子体中，便可以进行高纯度的处理(例如用于薄膜沉积)。
如果在真空容器侧同轴波导的内导体的顶端部分至少包括一个喷气孔，则反应气体可以被导入到高温中的等离子体核心中。其结果是，反应气体能有效地被分解，并且衬底可被高速地处理。
如果在同轴波导的开口附近内导体及外导体之间设置了耐热介电板，则可对耐热介电板设置喷气孔，由此稳定地产生出等离子体。在此情况下，甚至当这些孔曝露在高温下也不会损坏喷气孔。
如果同轴波导的顶端部分被耐热介电板覆盖，则等离子体与内导体的顶端部分之间的接触可以被防止，由此使构成同轴波导的物质不会作为杂质被混入到等离子体中。
如果耐热介电板包含与供入气体中所含反应物质相同的物质，则杂质不会被混入到等离子体中。这是因为甚至当耐热介电板被等离子火焰与该耐热介电板之间的接触而侵蚀时，与供入气体中所含反应物质相同的物质就会被导入到等离子体中。
如果同轴波导的内导体顶端部分被分成多个分支，则微波可在真空容器内部的宽广范围上以宽广的立体角辐射。其结果是，可均匀地形成大的等离子火焰及可处理大面积的衬底。
如果沿着同轴波导轴的轴向朝该波导的开口磁场强度逐渐地下降，则可以利用控制磁场强度来控制等离子体产生的区域。其结果是，可以在离开同轴波导开口的点上产生出等离子体，并且构成波导部件的物质不会被混入到等离子体内。因此，可以进行高纯度的处理。
如果设置了用于形成磁场分布的梯度磁场发生器，在该磁场分布中沿同轴波导轴的轴向其磁场强度在离开同轴波导开口的点上变成875G，并且沿波导轴朝着真空容器的中心部分逐渐减小时，则磁场对引起ECR状态足够强的点将离开波导的开口处。其结果是，在这种点上，甚至是在低真空区域中，电子也容易进入ECR状态，并且其电子密度也变成大于其它点上的电子密度。在这种点上产生出等离子火焰，并且等离子火焰朝着磁场强度变弱的方向延伸。因而，由于等离子火焰是在离开波导开口处的这种点上产生出来的，就可以防止构成波导的物质被作为杂质混入到等离子火焰中。
利用产生除梯度磁场外的旋转磁场，可使电子被旋转磁场束缚在等离子体中，由此可以阻止电子撞击真空容器的壁或类似部分及消失。其结果是，可产生出高密度的等离子体，且处理面积被增大。
如果使用了多个等离子吹管单元，则在宽广的区域上可产生出等离子火焰。因此，就可以进行大面积的处理。
如果同心波导的内导体比外导体伸出更多，则在内导体的顶端部分中可产生出很小尺寸的等离子火焰。其结果是，仅是衬底很小的区域可选择地被等离子处理。
在不偏离本发明的精神及范围的情况下，显然对于本领域的熟练技术人员来说可以方便地作出各种另外的变形。因此，不希望使附设权利要求书的范围限制在以上作出的说明上，而使权利要求书有较宽的结构。

Claims (13)

1、一种微波等离子吹管，包括：
一个具有抽真空装置的真空容器；
一个同轴波导，包括一个内导体，一个外导体，该同轴波导的第一端部分与供给微波的微波供给装置相连接，及该同轴波导的第二端部分与真空容器相连接，由此将从微波供给装置供给的微波沿同轴波导的波导轴导入到真空容器中；及
一个气体供给装置，用于沿多个喷射轴将气体喷入真空容器：
其特征在于：至少多个喷射轴中的两个在第二端部位置中相对于波导轴处于扭转位置上，并且不在垂直于波导轴的平面中，及
在第二端部分附近，内导体直径与外导体直径之比沿波导轴自第一端部分向第二端部分减小。
2、根据权利要求1的微波等离子吹管，其特征在于：气体供给装置包括布置在第一端部分及第二端部分之间的一个介电板，并包括多个用于使气体沿多个喷射轴喷射到真空容器中的喷气孔。
3、根据权利要求2的微波等离子吹管，其特征在于：介电板具有耐热性。
4、根据权利要求3的微波等离子吹管，其特征在于：所有的多个喷射轴相对于微波轴处于扭转位置上，并且不在垂直于波导轴的平面中。
5、根据权利要求4的微波等离子吹管，其特征在于：在第二端部分附近的内导体的顶端部分被一个耐热介电板覆盖。
6、根据权利要求5的微波等离子吹管，其特征在于：介电板包含与气体中所含反应物质中成分相同的成分。
7、根据权利要求1的微波等离子吹管，其特征在于：该内导体至少包括一个喷气孔，用于在第二端部分中喷射气体。
8、根据权利要求7的微波等离子吹管，其特征在于：在第二端部分中内导体比外导体更多地伸入到真空容器中。
9、根据权利要求1的微波等离子吹管，其特征在于：内导体的第二端部分被分成多个分支。
10、根据权利要求1的微波等离子吹管，其特征在于：还包括一个梯度磁场发生装置，用于产生沿波导轴自第一端部分向第二端部分其强度逐渐减小的磁场。
11、根据权利要求10的微波等离子吹管，其特征在于：梯度磁场发生装置在真空容器中离开同轴波导第二端部分的点上所产生的磁场强度足够引起一种电子回旋加速共振(ECR)状态。
12、根据权利要求10的微波等离子吹管，其特征在于：还包括一个旋转磁场发生装置，用于在真空容器中产生一旋转磁场。
13、根据权利要求1的微波等离子吹管，其特征在于：包括多个同轴波导及多个气体供给装置。
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