CN1028588C

CN1028588C - 微波等离子体的产生方法和装置

Info

Publication number: CN1028588C
Application number: CN 90105790
Authority: CN
Inventors: 郭华聪
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 1990-03-23
Filing date: 1990-03-23
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2005-03-23
Also published as: CN1055275A

Abstract

微波等离子体的产生方法和装置，涉及到微波产生低温等离子体的技术，适用于薄膜加工和材料处理等。本发明在等离子体反应室和谐振腔外设置一对稀土永磁铁，在等离子体区形成横向“磁瓶”场，对带电粒子形成三维封闭约束，并产生电子回旋共振所需的磁场区域。由磁控管产生的微波能量直接耦合到谐振腔中使反应室中的气体离化形成等离子体。对多种气体包括反应气体，能在一个大气压到2×10^-4Torr气压下产生微波等离子体。

Description

本发明属于利用微波产生低温等离子体的技术，适用于薄膜加工和材料处理等技术领域。

电子回旋共振（ECR：Electron Cyclotron Resonance）微波等离子体有着一系列优点和广泛的应用。

当气体中的电子处于静磁场中时，电子的回旋频率为Wg＝eB/Me，式中：e为电子电荷，B为磁场强度，Me为电子质量。当微波角频率等于Wg时，电子产生回旋共振运动，大量吸收微波能量并使气体离化形成等离子体。电子回旋共振频率Wce＝Wg＝eB/Me，对于常用的微波频率f＝2.45GHz，则静磁场强度B＝875G时，电子产生回旋共振运动。

目前实现ECR微波等离子体的技术主要有两类。一种方法是在笨重的磁场线圈产生的纵向发散磁场条件下形成ECR微波等离子体。使用的装置称之为波导式，由微波源，波导传输系统，耦合系统和等离子体反应室等部件组成。由微波源产生的微波通过复杂的传输系统和波导端头的真空介质密封窗送入等离子体反应室中。

J.Asmussen，J.Vac.Sci.Technol.A7（3）（1989）883中提出了另一种方法，在4对稀土磁铁形成的横向8极会切磁场条件下形成ECR微波等离子体。谐振腔式的装置由微波源产生的微波，通过复杂的传输系统和可调同轴探针耦合到圆柱谐振腔中，谐振腔内设有石英圆盘等离子体反应室和调谐活塞，反应室周围放置4对稀土永磁铁（表面磁场强度约3000G）。

上两种技术共同存在的主要缺点是，形成的磁场分布不合理，在纵向为发散磁场，不能封闭式地约束等离子体中的带电粒子，在纵向产生大量的逃逸，增加了产生和维持等离子体所消耗的能量;要用复杂的微波传输和耦合系统。

其次，波导式装置使用的磁场线圈笨重，耗能大;真空介质密封窗受到带电粒子轰击后会受到损伤并污染等离体;谐振腔式装置结构复杂，由于磁铁设置在谐振腔内，使等离子体区域远小于谐振腔体积，不能很有效地吸收微波能量。

本发明的目的就是为了解决现有技术存在的问题，提出一种能有效地约束等离子体，结构简单、轻便、高效的ECR微波等离子体的产生方法和装置。

为了达到本发明目的，提出了一种ECR微波等离子体的产生方法。当气体进入反应室中，气体中的自由电子受到外强磁场的约束，输入由磁控管产生的微波能量后，电子在ECR共振区域产生电子回旋共振，并吸收能量使气体离化形成微波等离子体。外强磁场条件是由放置在反应室和谐振腔外的一对永磁铁产生的横向“磁瓶”场，气体中的电子在“磁瓶”场两端的ECR共振区产生电子回旋共振，形成的微波等离子体被“磁瓶”场三维封闭地约束在等离子体反应室中。提出的装置由产生微波的磁控管、使微波达到谐振状态的谐振腔、等离子体反应室及一对稀土永磁铁等部件组成。本发明的改进适用于J.Asmussen在对比文献中提出的波导式和谐振腔式ECR装置。

图1是本发明方法的示意图。

图2是本发明装置的示意图。

以下结合附图详述本发明。将气体通入等离子、体反应室[4]中，由于设置的一对稀土永磁铁[5]产生的强磁场为横向“磁瓶”场，该“磁瓶”场的磁场强度在“磁瓶”两端可以为Bmax＞1700高斯;中间Bo≈100高斯。气体中的自由电子在该“磁瓶”场的作用下产生横向漂移运动，在“磁瓶”场两端来回反射。由磁控管[2]产生的微波通过波导式用直接耦合的方式输入谐振腔[3]中，电子通过“磁瓶”场两端的ECR共振磁场区域[8]（B＝875高斯）产生电子回旋共振运动，并从微波电场吸取能量而成为高能电子。这些高能电子和气体分子发生非弹性碰撞时，把能量传输给气体分子并使气体分子离化，产生更多的电子。这个过程的迅速扩展最终产生等离子体，横向“磁瓶”场将产生的等离子体三维封闭地约束在区域[9]中。等离子体中的带电粒子从“磁瓶”场中逃逸的几率约为0.03。此外，由于在“磁瓶”两端还存在B≥1700高斯的强磁场区域，在此条件下，等离子体对电磁波能量的吸收大为增强，处于反常吸收状态，还可以产生密度很高的（约10¹³/cm³）等离子体。

本发明提出的装置包括磁控管[2]、使微波达到谐振状态的谐振腔[3]、等离子体反应室[4]及一对稀土永磁铁等部件。反应室[4]设置在谐振腔[3]内。反应室[4]可以采用石英玻璃或陶瓷材料;谐振腔[3]采用非磁性材料，形状为圆柱形。反应室[4]上开有气体入口[7]，并固定在法兰盘[6]上。带电源[1]的磁控管[2]与谐振腔[3]相联。它们可以通过波导联接，为了简化装置，它们也可以直接联接，将磁控管[2]产生的微波能量直接耦合到谐振腔[3]中。选用的磁控管为CK-620型，连续功率0～800瓦;产生微波频率2.45GHz。谐振腔[3]上可以设置调谐活塞[10]，工作时通过调节它达到谐振条件;当选择谐振腔[3]为最佳几何尺寸时，则可去掉调谐活塞[10]。一对稀土永磁铁[5]设置在谐振腔[3]外，其表面磁场强度大于3000高斯，在等离子体内产生一个横向“磁瓶”场，对等离子体中的带电粒子形成三维封闭约束，并在“磁瓶”场两端形成ECR共振所需的磁场区域。永磁铁可以采用NdFeB材料，其横截面可以是圆形，圆环形或矩形。一对永磁铁[5]可以在谐振腔[3]外相向放置，也可以利用磁控管[2]本身的磁场在与磁控管[2]基本对称处放置一个永磁铁[5]，也可以构成一对永磁铁[5]产生的相似磁场效果。

与已有技术相比，本发明最大的优点是，一对永磁铁在等离子体区形成的横向“磁瓶”场对等离子体中的带电粒子是三维全封闭地约束，大大减少了带电粒子的逃逸，提高了能量效率，对多种气体包括反应气体能在一个大气压至10^-4Torr这个很宽的气压范围内产生等离子体。此外，由于磁铁设置在谐振腔外，反应室直径能增大到约等于谐振腔的直径，有效地利用了空间，增大了等离子体区域的体积和面积。

装置中磁控管直接与谐振腔相联，省去了复杂的微波传输与耦合系统，从而简化了装置，如去掉调谐活塞，可进一步简化装置;采用永磁铁代替磁场线圈，易于安装和调节磁场分布，并可省掉磁场电源，使整个装置更轻便，体积可做得很小。

采用本发明方法，在本装置上产生ECR微波等离子体的一个实例是，将Ar气或反应气体（如O₂）从入气口[7]通入反应室[4]中，反应室中气压为2×10^-4Torr，由磁控管[2]产生的微波直接耦合到谐振腔[3]中，当微波输入功率为20～30瓦时，就可使反应室[4]中的气体离化，产生微波等离子体。

Claims

1、一种微波等离子体的产生方法，当气体进入反应室[4]中，气体中的自由电子受到外强磁场的约束，输入由磁控管[2]产生的微波能量后，电子在ECR共振区域产生电子回旋共振，并吸收微波能量使气体离化形成微波等离子体，其特征是所说的外强磁场是由放置在谐振腔[3]和反应室[4]外面的一对永磁铁产生的横向“磁瓶”场，电子在“磁瓶”场两端的ECR共振区[8]产生电子回旋共振，所形成的微波等离子体被“磁瓶”场三维封闭地约束在反应室[4]的区域[9]中。

2、如权利要求1的方法，其特征是磁控管[2]产生的微波能量采用直接耦合的方式输入到谐振腔[3]中。

3、一种实施权利要求1的装置，包含有产生微波的磁控管[2]，使微波达到谐振状态的谐振腔[3]和等离子体反应室[4]，反应室[4]设在谐振腔[3]内，。其上开有气体入口[7]，并固定在法兰盘[6]上，谐振腔[3]与磁控管[2]相联，其特征是谐振腔[3]外有一对稀土永磁铁。

4、如权利要求3的装置，其特征是磁控管[2]与谐振腔[3]直接相联。

5、如权利要求3或4的装置，其特征是稀土永磁铁的表面磁场强度大于3000高斯，其横截面是圆形，圆环形或矩形，可以在谐振腔[3]外相向放置一对，或利用磁控管[2]本身的磁场在与磁控管[2]基本对称处放置一个稀土永磁铁。