專利名稱：高頻匹配網絡的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在同時使負載電阻匹配商業(yè)通用的高頻發(fā)生器的內電阻的情況下、在下面也叫做高頻匹配網絡、把高頻電交變場饋入低壓氣體放電中的裝置、在下面也稱作等離子體。
高頻激發(fā)等離子體，其目前在許多技術領域的到應用，特別是在固體表面處理中。如此高頻等離子體用于薄層的依賴等離子體的離析或表面的凈化和腐蝕。在高頻等離子體工作時必須應用阻抗匹配網絡，以便使負載阻抗調整到所應用的高頻發(fā)生器的內電阻。如果負載阻抗與發(fā)生器的內電阻一致，則發(fā)生器的功率能夠最佳傳輸到負載。通常在負載和發(fā)生器之間連接一個阻抗匹配網絡，其實施二個阻抗的匹配。
用于等離子體激發(fā)的匹配網絡按照現(xiàn)技術標準僅僅允許負載阻抗電感匹配于發(fā)生器的內電阻，以便使反射的功率最小并且因此使饋入等離子體的功率最佳化。對此通過與等立體接觸的電極或通過磁場經過電解質的入射實現(xiàn)電交變場耦合到等離子體上。對于等離子體的激發(fā)效率來說在激發(fā)等離子體時不管電容還是電感的激發(fā)部分占優(yōu)勢都是特別重要的。如果電磁波經過等離子體的外層輸入并且在其傳播到等離子體中央時承受指數衰減，則當然存在電容激發(fā)。在電感激發(fā)的情況下實現(xiàn)經過在等離子體中感應的交變磁場耦合電交變場。激發(fā)通常包括具有電容和電感部分的混合激發(fā)。在保持外部高頻功率的情況下通過電壓幅度確定等離子體耦合的電容部分并且通過在處于電極商的電交變場的電流幅度確定電感部分。
Rayner、Cheetham和French已經在J.Vac.Sci.Technol.A14(4)(Jul/Aug 1996)，2048-2055頁中已經描述了一個高頻匹配網絡，該網絡包括二個電路，其中這二個電路通過高頻空心線圈的感應通量彼此耦合。
本發(fā)明基于這個任務，提供一個損耗很小的高頻匹配網絡用于等離子體激發(fā)，該網絡在同時把負載阻抗匹配于高頻發(fā)生器的內電阻時能夠自由選擇電流幅度和電壓幅度。并且因此允許在電容和電感激發(fā)等離子體的情況下的連續(xù)調整。
根據本發(fā)明高頻匹配網絡包括一個初級電路、在該電路中饋入高頻發(fā)生器的功率、該電路具有一個任意和一個可變電容和高頻空心線圈、以及包括一個次級電路、該電路具有一個固定或可變電容、一個高頻空心線圈和至少一個用于產生等離子體的激發(fā)電極，其中這些電路經過高頻空心線圈的感應通量彼此耦合并且附加電容地彼此耦合。當在次級回路中應用可變電容的情況下可以在電容和電感等離子體之間連續(xù)選擇。
可以通過一個或多個固定電容或一個可變電容調整在初級和次級回路之間的電容耦合度。例如一個由具有較低電阻的不貴重的金屬形成的高頻空氣電容器用作電容器，該電容在表面上具備由金或鉑金屬、例如鉑形成的層，這例如在官方卷號為100 08 483.4、CCR鍍膜技術有限公司的德國專利申請“高頻空氣電容器”中描述。高頻空氣電容器可以形成為平板電容器、圓柱形電容器或球形電容器。電容器主要形成為微調電容器、例如形成為差動空氣平板電容器，特別具有多線性特性曲線、這例如在官方卷號100 08 486.9、CCR鍍膜技術有限公司的德國專利申請“具有多線性的差動空氣平板微調電容器”中描述。
如此的差動空氣平板微調電容器、以該電容器根據多線性特性曲線可以更好匹配簡單功能的依賴性、與線性空氣平板微調電容器不同具有傳統(tǒng)和分段式的定片組和/或動片組的組合。在傳統(tǒng)的差動空氣平板微調電容器中僅僅使用定片組和動片組，其類似于180°扇形或具有長寬比位2∶1的矩形，由此該微調電容器僅僅獲得線性特性曲線。與此相反優(yōu)選的差動空氣平板電容器附加包括配備圓形或＜180°角的矩形弧段。該電容器由此獲得多線性特性曲線，也就是說該特性曲線包括不同斜率的分直線。為了描述n線性的依賴關系附加于傳統(tǒng)的微調電容器板需要n-1個不同分段的平板。各自分段類型所必須的平板數目必須匹配分別描述的依賴關系。一般越能準確近似所希望的依賴關系，不同分段類型的數目越高。優(yōu)選的多線性差動空氣平板電容器的特性曲線因此可以更好地匹配簡單功能的依賴關系。有益的是分段的動片組僅僅在定片邊的對面。分段的定片組在對面不需要定片邊。定片組和/或動片組可以形成為傳統(tǒng)的180°扇形。
在電容耦合的情況下可以通過改變高頻幅度改變在等離子體外層上的電壓降并因此改變關于地電位的等離子體電位。通過改變高頻幅度因此可以調整離子能量，因為由等離子體電位確定離子能量。如果代替一般的微調電容器使用上述多線性差動空氣平板微調電容器，則在改變等離子體電位的情況下不再需要通過改變電容耦合的諧振電路的附加匹配。因此可以非常簡單地、通過僅僅一個唯一的微調電容器調整離子能量。如果不需要連續(xù)調整離子能量，則可以用固定電容代替差動微調電容器。
初級和次級回路的諧振頻率通過初級微調電容器以及次級微調電容器可以匹配于發(fā)生器頻率和/或通過改變在初級和次級回路之間的電感耦合、特別是通過改變線圈之間的軸向和徑向間隔進行匹配。附加的固定電容器并聯(lián)于微調電容器。理想地如此對初級回路定參數，即實現(xiàn)高的電壓幅度(電壓諧振)，并且如此對次級回路定參數，即實現(xiàn)高的電流幅度(電流諧振)。
可冷卻的高頻空心線圈特別以一個由不貴重的、具有較低電阻的金屬形成的管的形式用作高頻空心線圈，該線圈至少在其外表面上具備由金或鉑金屬、例如鉑形成的層，這在官方卷號100 08 484.2、CCR鍍膜技術有限公司的德國專利申報“可冷卻的空心線圈”中描述。該管可以有任意的橫截面。其不以電路形式確定，而是也可以得出正方形或矩形。為了冷卻用液體媒質、主要是以水、清洗高頻空心線圈。線圈可以卷成螺紋形或螺旋形以及在后者情況下同時可以隆起為球狀。線圈的直徑主要在10和100mm之間。
為了在次級回路中產生電流諧振該電路的總電感量應當盡可能低。因此次級線圈降低到最小匝數，主要降低到僅僅一匝。為了在初級線回路中產生電壓諧振該電路的電感應當盡可能高。因此初級線圈包括多匝，主要包括2至10匝。線圈的直徑在10和100mm之間。
用于等離子體激發(fā)的激發(fā)電極不僅可以布置在真空的內部而且也可以布置在外部。如果激發(fā)電極布置在真空內，則電極通過真空電流引線與次級回路的大氣方面的部分連接。全部的、包括微調電容器、線圈、激發(fā)電極以及連接元件的次級回路也可以布置在真空內，其中通過機械的真空引線可以調整次級微調電容器。在二個耦合線圈之間一個由非磁性和磁性透光材料形成的介電窗用于真空與大氣的分離。如此的窗可以包括塑料、例如聚四氟乙烯、包括玻璃或窗玻璃、以及包括陶瓷或氧化鋁。
與所有可能并且任意用于等離子體激發(fā)的激發(fā)電極有關可以應用根據本發(fā)明的阻抗匹配網絡。絕對不存在關于激發(fā)電極的形式、幾何、材料、布置、數目等等的限制。
為了在固定保持高頻功率的情況下達到盡可能高的電流幅度，此外必須如此連接匹配網絡的所有元件，即產生盡可能地的歐姆功率損耗。匹配網絡的單個或所有頻率重要的元件、特別是連接元件、線路、高頻空心線圈、電容、真空電流引線和激發(fā)線圈、通常包括具有較低電阻的金屬。由于經濟的原因通常選擇不貴重的金屬、例如銅、鐵、鋅、鋁或其合金、比如黃銅。
然而當在此頻率力求在1和50MHz之間的情況下由于集膚效應電流僅僅在導體的表面流經具有幾微米厚的外層。在傳統(tǒng)導體材料的情況下、例如銅、導體表面通過接觸點與空氣中的氧氣或氮氣反應，并且在表面上形成氧化層或氮化層，其顯著降低在導體表面上得到電能力并且因此顯著提高高頻的歐姆損耗。因此應當考慮，保持表面導電能力不變。這可以通過單個或所有高頻重要元件至少在其外表面上具有由金或鉑金屬、例如鉑、形成的層的描述實現(xiàn)。
如果稀有金屬、例如金或鉑、鍍在不貴重的技術、例如銅或黃銅上，則存在這樣的危險，即稀有金屬擴散進入基體材料中或基體材料擴散進入稀有金屬中。這引起，由于對于不軌重金屬提到的原因在表面上的導電能力下降?？梢越柚跀U散截止、例如一層極薄的鎳、防止擴散過程，該鎳層在鍍由金或鉑金屬形成的層之前鍍在不貴重金屬上。因此確保外部金屬層的長期穩(wěn)定性。可以等離子化學或電鍍地并且主要作為10nm至10μm厚的封閉層鍍這二層。
這二層、也就是說擴散截止和鍍在其上面的由金或鉑金屬形成的層、同樣在CCR鍍膜技術有限公司的官方卷號100 08 484.4的德國專利申報“可冷卻的高頻空心線圈”和官方卷號100 08 483.4的專利申報“高頻空氣電容器”中描述。
可以用液態(tài)媒質、主要使用水冷卻匹配網絡的單個或所有高頻重要的元件。
以根據本發(fā)明的匹配網絡、該網絡可以用于產生準中性的等離子體束或離子束、可以特別最佳化純電感激發(fā)，這導致顯著提高激發(fā)效率。此外由此使特殊的共振激發(fā)的利用成為可能、例如電子回旋波共振或無碰撞衰減共振。
根據本發(fā)明的高頻匹配網絡可以例如應用在高頻等離子體源或離子源中、其比如在官方卷號為100 08 482.6、CCR鍍膜技術有限公司的德國專利申報“高頻等離子體源”中描述。
下面例如根據圖說明本發(fā)明

圖1指出了阻抗匹配網絡的一個可能錯接圖2指出了阻抗匹配網絡的一個變體圖3指出了在真空中傳輸電交變場的系統(tǒng)圖4指出了阻抗匹配網絡的另一個變體圖5指出了高頻重要元件的層狀結構圖6指出了分段式的定片組或動片組圖7指出了二線性差動微調電容器的示意結構圖8指出了線性和二線性特性曲線的比較圖9指出了螺旋形卷成的高頻空心線圈圖10指出了螺旋形卷成的并且球狀隆起的高頻空心線圈。
圖1中的匹配網絡的電路包括二個耦合振蕩回路、初級回路(1)以及次級回路(2)。高頻發(fā)生器(11)饋入初級回路(1)中。在次級回路(2)中有一個處在幀空中的激發(fā)電極(3)用于產生等離子體。對此激發(fā)電極(3)與次級回路(2)經過二個真空電流引線(12)連接。不僅借助于包括二個高頻真空線圈(9、6)的變換器電感實現(xiàn)而且也借助于差動微調電容器(10)電容實現(xiàn)二個電路(1、2)的耦合。初級回路(1)包括一個初級線圈(9)、一個任意電容器(7)和一個可變的電容(初級微調電容器)(8)。電容(7)并聯(lián)于高頻發(fā)生器的輸出端，其中通常高頻發(fā)生器(11)的一個極連接在地電位上。同樣由初級微調電容器(8)和初級線圈(9)形成的串聯(lián)電路并聯(lián)于高頻發(fā)生器(11)的輸出端，其中初級微調電容器(8)與高頻發(fā)生器(11)的地電極連接。次級回路包括次級線圈(6)、可變電容(次級微調電容)(5)和激發(fā)電極(3)的串聯(lián)電路。對此差動微調電容器的中心極連接在初級線圈(9)和初級微調電容(8)之間。差動微調電容器(3)側極置于地或者與激發(fā)電極(3)的中心極連接。在需要時附加的固定電容可以并聯(lián)于所有微調電容器。
圖2指出了一個在圖1中描述的匹配網絡的變體，在該變體中整個次級回路(2)布置在真空中。在初級或者次級回路(1、2)的二個經過感應通量耦合的空心線圈(6、9)之間實現(xiàn)在真空和大氣之間的分離。為了真空與大氣的分離應用(圖3)一個介電窗，其不中斷二個耦合線圈(6、9)的感應通量。在窗(13)和等離子體冗器(14)的底板之間布置一個真空密封。借助于機械真空引線(16)實現(xiàn)通過微調電容器(5)的次級回路調諧。
圖4指出了匹配網絡的一個改進變體，在該變體中用固定電容(17)代替次級微調電容(5)，并且通過初級微調電容(8)以及通過改變在級線圈(9)和次級線圈(6)之間的電感耦合實現(xiàn)振蕩回路調諧。為此，通過移動安放大氣方面的匹配網絡的元件改變在初級線圈(9)和次級線圈(6)之間的軸向和徑向間隔。對此通過可彎曲的導線或高頻電纜實現(xiàn)在初級回路的移動安放和固定元件之間的連接。
圖5指出了匹配網絡的高頻主要的元件的層狀結構。元件(26)的基本材料具備封閉的、用作擴散截止的鎳層(25)。一個金層(24)鍍在該鎳層上。
圖6指出了具有多線性特性曲線的差動空氣平板微調電容器的分段微調電容器片的一種選擇。為了實現(xiàn)多線性依賴性附加于傳統(tǒng)的微調電容器片需要描述的135°部分段(18、19)、90°部分段(20、21)和45°部分段(22、23)。
圖7指出了一個二線性差動微調電容器作為多線性差動空氣平板微調電容器的實例。其包括可旋轉的軸(28)、在該軸上布置動片。該動片由五個傳統(tǒng)的180°扇形(27)以及由十個90°部分段(20)建立該動片。定片方面C1包括五個傳統(tǒng)的、布置在定片底座(29)上的定片板。定片方面C2包括十五個傳統(tǒng)的、安置在第二定片底座(30)上的定片板。如此布置90°動片部分段(20)，即其僅僅掃過定片方面C2的定片板。以類似方式定片板也可以形成為部分段，以便獲得微調電容器的多線性。
在圖8中描述了二線性差動空氣平板微調電容器的特性曲線，也就是說定片方面C1依賴于定片方面C2。該特性曲線由不同斜率的二個分直線構成。與具有線性特性曲線的傳統(tǒng)微調電容器相比，通過這個二線性差動微調電容器可以以提高的準確度近似描述的非線性依賴性。
圖9和10指出了根據本發(fā)明的高頻空心線圈的可能結構形式。主要包括螺旋形(圖9)卷成的金屬管。螺旋形卷成的線圈附加也可以隆起為球形(圖10)。
參考符號1 阻抗匹配網絡的初級電路2 阻抗匹配網絡的次級電路3 激發(fā)電極4 等離子體5 可變電容器(微調電容器)6 高頻空心線圈7 電容器8 可變電容器(微調電容器)9 高頻空心線圈10 差動電容器11 高頻發(fā)生器12 真空電流引線13 介電窗14 等離子冗器的底板15 真空密封16 機械真空引線17 固定電容器18 分段式微調電容器片(135°扇形)19 分段式微調電容器片(135°矩形部分)20 分段式微調電容器片(90°扇形)21 分段式微調電容器片(90°矩形部分)22 分段式微調電容器片(45°扇形)23 分段式微調電容器片(45°矩形部分)24 金層25 由鎳形成的擴散截止26 高頻主要的元件的基本材料27 傳統(tǒng)的動片板(180°扇形)28 可旋轉的軸
29 定片底座30 定片底座
權利要求
1.高頻匹配網絡，包括-具有一個任意電容(7)和一個可變電容(8)和一個高頻空心線圈(9)的初級電路(1)以及-具有一個任意電容(5、17)、一個高頻空心線圈(6)和至少一個激發(fā)電極(3)的次級電路(2)，其中電路(1、2)通過高頻空心線圈(6、9)的感應通量彼此耦合，其特征在于，初級回路(1)和次級回路(2)進行附加的電容耦合。
2.按照權利要求1的高頻匹配網絡，其特征在于，可以在電容和電感的等離子體耦合之間進行選擇。
3.按照權利要求1或2的高頻匹配網絡，其特征在于，可以連續(xù)在電容和電感的等離子體耦合之間進行選擇。
4.按照權利要求1至3之一的高頻匹配網絡，其特征在于，通過一個或多個固定電容實現(xiàn)電容耦合。
5.按照權利要求1至4之一的高頻匹配網絡，其特征在于，通過一個可變電容實現(xiàn)電容耦合。
6.按照權利要求1至5之一的高頻匹配網絡，其特征在于，通過差動微調電容器(10)實現(xiàn)電容耦合。
7.按照權利要求6的高頻匹配網絡，其特征在于，一個差動空氣平板電容器用作差動微調電容器(10)，該電容為了達到多線性特性曲線具有傳統(tǒng)和分段式定片板和/或動片板的組合。
8.按照權利要求1至7之一的高頻匹配網絡，其特征在于，初級回路(1)和次級回路(2)的諧振頻率通過初級微調電容器(8)和次級微調電容器(5)可以匹配于發(fā)生器頻率。
9.按照權利要求1至8之一的高頻匹配網絡，其特征在于，附加固定電容器可以并聯(lián)于微調電容器(5、8)。
10.按照權利要求1至9之一的高頻匹配網絡，其特征在于，如此對初級回路(1)定參數，即實現(xiàn)高的電壓幅度，如此對次級回路(2)定參數，即實現(xiàn)高的電流幅度。
11.按照權利要求1至10之一的高頻匹配網絡，其特征在于，初級線圈(9)包括多匝，優(yōu)選包括2至10匝。
12.按照權利要求1至11之一的高頻匹配網絡，其特征在于，次級線圈(6)少于2匝，優(yōu)選是僅僅一匝。
13.按照權利要求1至12之一的高頻匹配網絡，其特征在于，線圈(6、9)的直徑處于10和100mm之間。
14.按照權利要求1至13之一的高頻匹配網絡，其特征在于，激發(fā)電極(3)布置在真空中。
15.按照權利要求1至14之一的高頻匹配網絡，其特征在于，激發(fā)電極(3)與次級回路(2)的大氣方面的部分經過真空電流引線(12)連接。
16.按照權利要求1至15之一的高頻匹配網絡，其特征在于，全部的、包括微調電容器(5)、線圈(6)和激發(fā)電極(3)以及連接元件的次級回路(2)布置在真空中。
17.按照權利要求16的高頻匹配網絡，其特征在于，在二個耦合線圈(6、9)之間布置一個介電窗(13)。
18.按照權利要求16或17的高頻匹配網絡，其特征在于，介電窗(13)包括一個非磁性和磁性透光材料。
19.按照權利要求16至18之一的高頻匹配網絡，其特征在于，介電窗(13)包括石英玻璃或氧化鋁。
20.按照權利要求1至19之一的高頻匹配網絡，其特征在于，通過機械真空引線(16)可以調整次級微調電容器(5)。
21.按照權利要求1至20之一的高頻匹配網絡，其特征在于，次級回路(2)至少包括一個固定電容(17)、一個高頻空心線圈(6)和一個激發(fā)電極(3)。
22.按照權利要求1至21之一的高頻匹配網絡，其特征在于，通過改變在初級線圈(9)和次級線圈(6)之間的電感耦合和/或通過調整初級微調電容器(8)可以調諧諧振回路。
23.按照權利要求1至22之一的高頻匹配網絡，其特征在于，通過改變初級線圈(9)和次級線圈(6)的軸向和徑向間隔可以調整耦合。
24.按照權利要求1至23之一的高頻匹配網絡，其特征在于，匹配網絡的單個或所有高頻重要的元件，特別是連接元件、導線、高頻空心線圈、電容、真空電流引線和激發(fā)電極，包括具有較低電阻的不貴重金屬，并且至少在其外表面上具備由金或鉑金屬形成的層。
25.按照權利要求1至24之一的高頻匹配網絡，其特征在于，在高頻重要元件的不貴重金屬和由金或鉑金屬形成的層之間鍍上一個擴散截止(30)作為封閉層。
26.按照權利要求1至25之一的高頻匹配網絡，其特征在于，以液態(tài)媒質，優(yōu)選以水冷卻阻抗匹配網絡的單個或所有高頻主要的元件。
27.按照權利要求1至26之一的高頻匹配網絡用于產生準中性的等離子體束。
28.按照權利要求1至26之一的高頻匹配網絡用于產生離子束。
全文摘要
1高頻匹配網絡包括一個初級電路(1)、其具有一個任意的電容(7)和一個可變電容(8)和一個高頻線圈(9)、以及包括一個次級電路(2)、其具有一個任意的電容(5、17)、一個高頻空心線圈(6)和至少一個激發(fā)電極(3)，其中電路(1、2)通過高頻空心線圈(6、9)的感應通量彼此耦合，并且初級回路(1)和次級回路(2)附加電容耦合。
文檔編號H01J37/32GK1426671SQ01808498
公開日2003年6月25日 申請日期2001年2月21日 優(yōu)先權日2000年2月24日
發(fā)明者M·維勒, R·達爾 申請人:Ccr涂復技術有限責任公司