CN104064428A - 集成微波源和等离子体焰炬、以及相关方法 - Google Patents

Abstract

一种用于生成微波感应等离子体的等离子体源包括与微波能量源集成的等离子体焰炬。焰炬建立从等离子体源的一侧到另一侧的气体流动。焰炬可以与微波能量源集成使得流动通过焰炬的等离子体形成气体受到微波辐射，所述微波辐射用于启动和/或维持焰炬中的等离子体。等离子体可以从焰炬喷射并且在涉及等离子体的使用的各种应用中使用，所述应用包括分析技术，例如光发射光谱法和质谱法。

Description

集成微波源和等离子体焰炬、以及相关方法

相关申请

本申请要求2013年3月15日提交的、名称为“集成微波源和等离子体焰炬、以及相关方法”的、序列号为61/793,320的美国临时专利申请的权益，上述的内容通过引用完整地被合并于本文中。

技术领域

本申请一般地涉及微波感应等离子体，并且特别地涉及在等离子体焰炬中生成微波感应等离子体及其用途。

背景技术

许多基于等离子体的化学分析仪器使用射频（RF，10-100MHz）感应耦合等离子体（ICP）并且使用氩作为工艺气体。尽管氩ICP是相对成熟和有效的技术，但是为这些仪器供应氩明显增加所有者的成本，并且受制于纯化氩气的可用性。为了解决新兴市场（乡村、便携式、发展中国家等）的需要，近期关注的是生产可以用较便宜的、更可用的气体、例如分子氮（N₂）操作的类似功能的仪器。

由于氩和氮等离子体的性质的差异，在若干GHz的范围内的微波辐射（相比于RF辐射）常常更好地适合于为氮等离子体赋能。配置成用于生成这样的等离子体的仪器可以包括将微波功率输送到流动通过管（或嵌套管组）的工艺气体的功率子系统。微波辐射将气体电离成等离子体。由此产生的微波感应等离子体（MIP）可以用于加热、蒸发/干燥/去溶剂化、雾化、电子激发和电离分析物材料，由此允许发射光或离子的后续检测和分析。

微波功率子系统可以包括由功率传递元件、例如自由空间波导或同轴电缆耦合的微波功率源和电磁共振结构。该系统也可能需要用于它的各种部件的阻抗匹配的附加元件，包括手动和/或伺服锁定短线调谐器和可移动短路面。而且，常常包括微波隔离器和循环器以在阻抗失配情况下保护功率源免于反射功率。

已知的微波功率子系统具有缺陷。由于它们的多部件配置，它们相对庞大和昂贵。而且，可能需要自动化调谐算法以获得和保持可接受的性能，并且调谐过程又涉及移动部件。这些因素有损在广受欢迎的“现场”应用市场中的适合性。另外，由于多部件设计的高体积和/或面积，存在主要由引导结构的壁引起的显著的功率损耗（能量损失）。另外，在常用共振结构（例如，矩形波导或同轴电缆）中的电磁（EM）场图案与倾向于产生对于光谱学/光谱法是优选的圆柱形或环形对称性的场图案之间存在失配。这些失配造成当前设计的性能和稳定性降低，这仍然是正在进行的研究的主题。

所以，依然需要用于为各种应用生成MIP的改进系统、设备和方法。

发明内容

为了完全或部分地解决前述问题和/或本领域的技术人员可能观察到的其它问题，本发明提供在下述的实现方式中作为例子描述的方法、工艺、系统、装置、仪器和/或设备。

根据一个实施例，一种用于生成微波感应等离子体的等离子体源包括：微波能量源，所述微波能量源包括在阴极轴线上的阴极，和通过相互作用空间与所述阴极间隔的阳极，其中所述微波能量源包括第一侧、第二侧和沿着所述阴极轴线从所述第一侧到所述第二侧的厚度；以及等离子体焰炬，所述等离子体焰炬定位在所述微波能量源处并且包括在所述第二侧的焰炬出口，其中所述等离子体焰炬建立从所述第一侧到所述第二侧的气体流动路径。

根据另一实施例，一种等离子体处理系统包括：所述等离子体源，其中所述等离子体焰炬包括在所述第一侧的焰炬入口；与所述焰炬入口连通的等离子体形成气体源；以及与所述焰炬出口连通的室。

根据另一实施例，一种用于供应等离子体的方法包括：通过操作包括第一侧和第二侧的微波能量源生成微波能量；通过将等离子体形成气体从所述第一侧流动到等离子体焰炬中生成等离子体，其中所述等离子体形成气体由所述微波能量辐射；以及从所述第二侧的所述等离子体焰炬的出口流动所述等离子体。

根据另一实施例，一种等离子体源或等离子体处理系统配置成用于执行本文中所公开的任何方法。

当阅读以下附图和详细描述时本领域的技术人员将或将要显而易见本发明的其它设备、装置、系统、方法、特征和优点。所有这样的附加系统、方法、特征和优点旨在包括在该描述内、本发明的范围内并且由附带的权利要求保护。

附图说明

通过参考以下附图可以更好地理解本发明。附图中的部件不必按比例绘制，而是强调示出本发明的原理。在附图中，相似的附图标记在不同视图中始终表示相应的部分。

图1A是根据一些实施例的等离子体源的例子的平面图。

图1B是图1中所示的等离子体源的透视图。

图2A和2B是微波能量源的一部分的平面图，示出在周期的交替相位的振荡。

图3A是具有束带段的阳极的一部分的平面图。

图3B是沿着图3A的线A-A获得的截面图。

图4是根据一些实施例的等离子体处理系统的例子的示意图。

图5是根据一些实施例的等离子体焰炬的例子的横截面图。

具体实施方式

图1A和1B是根据一些实施例的微波感应等离子体（MIP）源100的例子的相应的平面和透视图。等离子体源100可以大体上包括微波能量源（或微波能量发生器）104和与微波能量源104集成的等离子体焰炬108。

一般地，微波能量源104可以具有适合于以引起从流动通过等离子体焰炬108的等离子体形成气体形成等离子体的频率和功率生成微波能量的任何配置。在一些实施例中，如图1A和1B中所示，微波能量源104可以具有磁控管或磁控管状结构。一般地，等离子体焰炬108可以具有适合于沿着限定路径引导气体的流动并且允许形成等离子体羽（或等离子体放电）的任何配置。等离子体焰炬108可以以保证流动气体将由生成的微波能量辐射的任何方式与微波能量源104集成。等离子体焰炬108可以配置成将产生的等离子体以及焰炬内部的任何气体和/或其它可流动成分引导到微波能量源104外部的期望目的地。

微波能量源104大体上包括阴极112和阳极114。在所示的实施例中，阴极112沿着阴极轴线（或源轴线）118定位。阴极112例如可以为圆柱形，并且可以是实心的或空心的。阴极112可以由任何合适的导电材料组成。在一些实施例中，阴极112或它的涂层或层可以由热离子发射材料组成以提供电子源。附加地或替代地，可以提供细丝（例如钨丝，未显示）。附加地或替代地，可以提供另一类型的电子源（例如，场发射源）。在所示的实施例中，阳极114是导电材料（例如，铜）的环形块，并且围绕阴极轴线118同轴地围绕阴极112。因此，在本实施例中微波能量源104的主要结构（阴极112和阳极114）关于阴极轴线118旋转对称，所述阴极轴线在该情况下是中心轴线。相对于阴极轴线118，阳极114通过相互作用空间122与阴极112间隔，在所述相互作用空间中磁场和电场相互作用以将力施加到电子。微波能量源104可以被认为包括第一侧126和第二侧128，从流动通过等离子体焰炬108的气体的角度来看，所述第一侧和第二侧也可以被称为输入侧和输出侧。第一侧126和第二侧128可以位于与阴极轴线118正交的平面内。因此，微波能量源104的主要结构可以是大体平面的并且具有沿着阴极轴线118从第一侧126到第二侧128的厚度。

阳极114可以包括通过它的厚度形成的、用作调谐电路的一个或多个共振腔或旁瓣132。在所示的实施例中，阳极114包括位于离阴极轴线118一个或多个径向距离处并且围绕阴极轴线118彼此圆周地间隔的多个共振腔132。共振腔132通过开口134与共同相互作用空间122敞开连通，所述开口将阳极114分隔成围绕阴极轴线118圆周地布置的多个阳极段。图1A和1B中所示的共振腔132的数量仅仅作为例子。共振腔132的数量和尺寸可以在不同实施例中变化。在一些实施例中，阳极114的外径可以为厘米级，但是更一般地不对阳极114的尺寸进行特定限制。

在所示的实施例中，共振腔132成形为圆形横截面的圆柱并且开口134成形为径向槽。该几何形状是孔和槽磁控管的例子。在其它实施例中，微波能量源104可以构造成叶片式磁控管、槽式磁控管或旭日式磁控管，其几何形状和性质是本领域的技术人员已知的。更一般地，几何形状可以关于阴极轴线118对称、大致对称或不对称。

等离子体焰炬108大体上包括焰炬入口138和焰炬出口140。如上所述等离子体焰炬108可以以保证流动气体将由生成的微波能量辐射的任何方式与微波能量源104集成或定位在微波能量源处。等离子体焰炬108可以定位或安装在微波能量源104处使得焰炬入口138在第一侧126并且焰炬出口140在第二侧128。等离子体焰炬108可以定位在微波能量源104的周边内并且因此可以例如延伸通过微波能量源104的孔、凹陷、腔等。在所示的实施例中，等离子体焰炬108通过共振腔132中的至少一个沿着焰炬轴线142从焰炬入口138延伸到焰炬出口140。焰炬轴线142可以平行于或大致平行于阴极轴线118。等离子体焰炬108因此构造成限定或建立通过它的内部（并且通过相应的共振腔132）从第一侧126的焰炬入口138延伸到第二侧128的焰炬出口140的至少一个气体流动路径。在所示的实施例中，等离子体焰炬108包括封闭气体可以流动通过的内部的管，或与焰炬轴线142同轴的两个或更多个管。在一些实施例中，管（或最外层管）的外径可以为厘米级，但是更一般地不对管的尺寸进行特定限制。等离子体焰炬108可以由熔凝石英或具有微波透明性、高熔点和低热膨胀系数的其它合适的材料组成。在其它实施例中，等离子体焰炬108可以包括延伸通过相应的共振腔132的多个管（或多个同心管组），由此建立沿着多个焰炬轴线通过等离子体源100的多个气体流动路径。

在实践中，阴极112和相互作用空间122应当封闭在真空空间（即，真空室）中。因此，在一些实施例中可能可行的是将整个微波能量源104封闭在真空空间中。等离子体焰炬108以将焰炬内部与真空环境流体地隔离的方式安装在共振腔132中。

将理解本发明的广义方面不将微波能量源104限制为具有磁控管或磁控管状结构。更一般地，微波能量源104可以具有允许等离子体焰炬108穿过共振空间并且允许等离子体直接耦合到生成的微波能量的任何配置。例如，在一些实施例中微波能量源104可以不具有同轴、对称结构。

在一些实施例中，阳极114的对称轴线可以偏离阴极轴线118。对于一些实施例，这样的配置可以补偿由等离子体焰炬108呈现的对称性。在其它实施例中，不需要这样的补偿。

微波能量源104还包括可以是永磁体的磁体。磁体可以包括一个或多个磁体部件406和410（图4），所述磁体部件可以布置成提供静磁场相对于等离子体源100的剩余部分的期望取向。在一些实施例中，磁体部件406和410定位成使得最强静磁场线与阴极轴线118并且因此也与共振腔132的轴线平行。在该情况下静磁场与微波能量源104所生成的电场正交地相交。另外，通过如上所述并且如图1A和1B中所示定向等离子体焰炬108，在操作期间生成的振荡磁场也可以与焰炬轴线142对准。该配置有用于产生等离子体羽，所述等离子体羽为圆柱形（或大致圆柱形）并且关于焰炬轴线142对称（或大致对称）。此外，磁场和电场的参数可以设置成使得等离子体羽的横截面具有期望形状，例如具有期望偏心度的圆形或椭圆形。更进一步地，等离子体羽的横截面可以沿着焰炬轴线142是“空心的”。空心区域或芯可以表征为具有等离子体物质的低密度和低温度（即，“冷”区域）。作为例子，空心区域有用于将样本分析物或工艺反应物引入等离子体中。一般地，将样本分析物或工艺反应物直接引入等离子体的更致密、更热区域中可能更难实现和/或等离子体与分析物或反应物之间的期望相互作用可能不太有效。在美国专利第7,030,979号中描述和示出空心等离子体羽，上述专利的内容通过引用被合并于本文中。

在操作中，微波能量源104浸没在由磁体部件406和410提供的磁场中。连续或脉冲直流（DC）电压施加在阴极112和阳极114之间以生成相对于阴极轴线118径向定向的磁场。在一些实施例中，另一DC电压或交流（AC）电压可以施加到阴极112（或细丝）以加热阴极112或细丝。热足以导致电子从阴极112的热离子发射。替代地，本领域的技术人员可以根据需要使用间接加热。替代地可以使用独立电子源，例如场发射器。由此产生的发射电子的路径由磁场的力弯曲，导致电子向外螺旋前进，并且导致相互作用空间122中的旋转空间电荷“轮”。附加电子可以由电子返回到阴极112并且轰击阴极产生的二次发射释放。空间电荷“轮”的“轮辐”掠过开口134到达共振腔132并且引起其中的振荡微波频率场。图2A和2B是微波能量源104的一部分的平面图，示出在周期的交替相位的由此产生的振荡。形成的交流（AC电流，其在本例子中是微波范围电流）由弯曲箭头指示，并且交替/振荡磁场的方向由Xs（指向图纸内）和点（指向图纸外）指示。电子和RF场之间的相互作用产生微波发射。共振腔132的尺寸确定共振频率和因此发射微波的频率。在一些实施例中，微波功率输出可以为瓦到千瓦级。

注意图2A和2B示出振荡的pi模式（或π模式），其中每个共振腔132与每个相邻共振腔132异相180度（π）振荡。在本实施例中可以通过增加电互连交替阳极段（即，当围绕阴极轴线118移动时每隔一个阳极段）的束带结构（未显示）执行pi模式。图3A和3B示出束带结构的一个非限定性例子。具体地，图3A是阳极114的一部分的平面图并且图3B是沿着图3A的线A-A获得的横截面图。在该例子中，束带结构是双环束带，其包括在第一侧的一对环（带）346和348以及在第二侧的另一对环350和352。在每一对中，环中的一个具有比另一环更大的直径，并且所有环346-352与阴极轴线118同轴。环直径可以尺寸确定成使得环346-352与相互作用空间122和共振腔132之间的开口134相交。环346-352可以相对于阳极114定位成使得每个环346-352交替地旁路通过或连接到连续阳极段，这可以通过在阳极段中形成凹陷354而促进。对于许多磁控管型结构，pi模式被认为最佳地保证能量以最高效率转换为振荡场，因此最大化生成的微波功率。然而，本领域的技术人员应当领会，在其它实施例中微波能量源104可以在不同模式下操作。在G.Hok,“The Microwave Magnetron”,Advances in Electronics,第II卷,由L.Marton编辑,纽约,Academic Press,1950,第219-249页中进一步论述了共振模式和束带策略，上述文献的内容通过引用被合并于本文中。

在微波能量源的常规使用中，通过分接图2A和2B中所示的AC电流提取微波功率。常规分接可以通过直接电导耦合或通过使用感应拾取环实现。在后一种情况下，拾取环插入共振腔的一个中。共振腔132的体积中的振荡磁场（与围绕共振腔132的内壁的振荡电流关联）在拾取环中感生AC电流，由此将来自磁控管EM场模式的能量传递到电连接到拾取环的负载。通过比较，在本文公开的实施例中微波功率由在等离子体焰炬108中生成的等离子体（其具有电导和电感性质）直接从磁控管EM场模式分接。以该方式，能量直接耦合到等离子体中而不是间接地通过中间传递元件耦合。也就是说，等离子体自身用作功率耦合装置以代替线环或其它类型的传递元件或波导。在一些实施例中，能够由等离子体提取的微波能量的大小可以大于70%、大于80%、或大于90%。

返回参考图1A和1B，显然流动通过等离子体焰炬108的任何介质将由微波能量源104所发射的微波能量辐射。在本实施例中，合适的等离子体形成气体引导到等离子体焰炬108中。由微波能量产生的等离子体形成气体的辐射生成并且维持稳定的等离子体羽。在一些实施例中，附加能量输入可以用于点燃或引燃等离子体，例如电弧/火花、火焰、另一种等离子体放电、或光或激光束。可以使用的等离子体形成气体的例子包括但不限于氮、其它非稀有气体、氩和其它稀有气体。微波生成和通过等离子体焰炬108的气体流动可以持续任何期望的持续时间以连续地生成等离子体。生成的等离子体羽通过气体流动从焰炬出口140排出。

在一些实施例中，当正在生成等离子体时可以测量由微波能量源104生成的微波的一个或多个性质（幅度、频率和/或相位）。这样的微波性质可以被认为包含关于等离子体的阻抗的互补（“正交”）信息。因此，测量微波性质可以有用于测量等离子体性质，例如电子密度。测量微波性质也可以有用于推断关于通过等离子体的材料的流动的信息，例如样本材料进入等离子体焰炬108中的到达时间、分析物的电离程度等。即使在没有等离子体的情况下，但是当微波能量源104正在有效地生成微波时，类似的测量也可以提供关于等离子体焰炬108的内容物的信息（具体地，由等离子体焰炬108占据的共振室的内容物的阻抗）。这样的测量可以有用地作为用于监测通过等离子体焰炬108的流体流动或组分的非破坏性手段。一般地，由微波能量源104生成的微波可以由适合与微波能量源104一起使用的任何已知的装置或手段采样和测量。作为一个非限定性例子拾取环可以插入共振腔132中的一个或所使用的其它能量耦合装置中以采样微波并且提取信号可以传输到波形分析器。

等离子体焰炬108的内部可以处于大气压、次大气压或超大气压。等离子体可以从等离子体焰炬108排出到开放、周围环境中或室中。在后一种情况下，室可以处于大气压、次大气压或超大气压。室压力可以与等离子体焰炬108中的压力相同或不同，并且可以与封闭微波能量源104的外壳中的很低压力或真空相同或不同。室可以通过合适的边界、例如不透流体壁与微波能量源104的真空空间隔离。等离子体焰炬108可以使用合适的流体密封接口、例如馈通结构穿过这样的边界。

等离子体可以在多种多样的基于等离子体的工艺中使用，包括用于分析样本的技术。潜在的应用一般取决于所使用的等离子体形成气体的类型和因此所生成的活性等离子体种类。作为例子，等离子体源100可以用作用于光发射光谱法（OES）（或原子发射光谱法，AES）或质谱法（MS）的雾化和/或电离源。包含分析物的流体的流动可以引入等离子体形成气体的流动中。当气体和分析物的混合物流动通过等离子体焰炬108时，等离子体生成并且雾化和/或电离分析物。焰炬出口140可以将等离子体、气体和分析物材料排出到光谱仪的内部供进一步处理。取决于正在进行的分析的类型，光谱仪可以包括用于测量雾化或电离分析物的光发射的光电检测器，或测量电离分析物的质荷比的丰度的检测器。

作为等离子体工艺的另外例子，等离子体可以用于从下层衬底去除涂层或层，或用于职能化层或衬底的表面（例如，促进疏水性或亲水性），或用于变性（生物）聚合物。在与MEMS（微机电系统）器件或半导体器件的微型制造相关的应用中，等离子体用作干蚀刻剂以去除层，形成用于电互连的过孔等。除了材料去除工艺以外，等离子体可以用于微型制造应用中的附加工艺，例如等离子体增强（PE）真空淀积（例如，PE物理汽相淀积、磁控管溅射和PE化学汽相淀积）。在这样的工艺中，等离子体可以仅仅用作能量介质或者也用作反应介质。在这样的工艺中，可以通过在生成等离子体之前将前体材料流合并到等离子体形成气体流中将试剂加入等离子体，目的是例如合成氮、氧、氮化物、硫化物或其它化合物。同样在微型制造应用中，等离子体用于促进离子注入或掺杂过程。在另一例子中，颗粒/粉末或溶解前体材料可以夹带在运载气体中，所述运载气体在用于制造诸如量子点的纳米粒子的工艺的过程中与等离子体形成气体流合并。等离子体也可以作为例如用于废物处理、处理、处置或用于固体/液体烃的气化（其在石化工业中使用）的等离子体气化过程的一部分生成。等离子体也可以在消毒过程中得到应用，例如用于破坏或解毒细菌、真菌和/或病毒。

图4是根据一些实施例的等离子体处理系统400的例子的示意图。等离子体处理系统400大体上包括等离子体源402和等离子体形成气体源458。等离子体源402包括微波能量源404、等离子体焰炬408以及磁体部件406和410。等离子体形成气体源458与等离子体焰炬408的入口438连通。等离子体处理系统400也可以包括与等离子体焰炬408的出口440连通的室462，并且其在微波能量源404的外部。室462可以代表或作为配置成用于使用由等离子体源402供应的等离子体466的任何装置的一部分。室462例如可以代表分析仪器，例如光谱仪（例如，OES、MS等）。分析仪器可以包括例如上面作为例子所述的合适的检测器470。室462也可以为了例如上述目的代表反应室或等离子体处理室。替代地，室462可以代表等离子体源的外部的周围环境。

微波能量源404可以包括阴极412、具有共振腔432的阳极414以及在阴极412和阳极414之间的相互作用空间422，如上所述。微波能量源404（或至少它的阴极412和相互作用空间422）封闭在真空外壳474中。真空外壳474可以通过合适的边界476与室462隔离，等离子体焰炬以密封方式穿过所述边界。也示意性地显示相应地用于加热阴极412和施加阴极412和阳极414之间的DC电势的电压源480和482。

等离子体处理系统400还可以包括与焰炬入口438连通的一个或多个附加流体源486。（一个或多个）流体源486可以供应一种或多种气体或待汽化或雾化的液体。供应的流体的类型将取决于如何执行等离子体处理系统400。流体例如可以是分析物化合物或夹带在运载气体中的分析物的基体，可能具有其它成分、例如溶剂。流体可以是具有夹带在其中的液滴的运载气体或气溶胶。流体可以是或包括等离子体形成气体的添加剂并且用作随后形成的等离子体466的活性物质，例如离子或电子激发分子。流体可以是或包括在室462中使用的试剂，或在室462中的合成过程或膜生长的准备中由等离子体466离解的化学前体化合物。

一般地，附加流体可以在等离子体焰炬408的上游的点、在等离子体焰炬408的内部的点或在等离子体焰炬408的下游的点引入等离子体处理系统400中。附加流体可以与等离子体焰炬408的上游或等离子体焰炬408的内部的等离子体形成气体混合。图4示意性地示出附加流体和等离子体形成气体并行地供应到焰炬入口438。例如，附加流体可以进入等离子体焰炬408的中心管，同时等离子体形成气体进入中心管和同轴地围绕中心管的外管之间的环形空间。在该情况下，中心管的出口可以在等离子体形成气体赋能为等离子体之前的点终止。然而将理解附加流体可以与在上游与等离子体形成气体混合或合并使得单混合流动供应到焰炬入口438。替代地，附加流体可以与等离子体混合，这可能发生在等离子体焰炬408的内部或等离子体焰炬408的下游。例如，如刚才所述等离子体焰炬408可以包括同轴管并且中心管的出口可以在稳定等离子体羽形成的点终止。作为另一例子，等离子体处理系统400可以包括管道488，所述管道通向室462并且定位成朝着从焰炬出口440发射的等离子体466引导分析物或其它可流动材料的流动490。

图5是根据一些实施例的等离子体焰炬508的例子的横截面图。等离子体焰炬508包括限定沿着焰炬轴线的多个流动路径的多个同轴管。在所示的实施例中，第一管510定位在焰炬轴线上，第二管512围绕第一管510，并且第三管514围绕第二管512。管510、512和514的相应出口516、518和520的轴向位置可以相同或不同。等离子体羽532显示为从等离子体焰炬508排出。在所示的实施例中，第二管出口518在第三管514的内部，即，第二管出口518在第三管出口520的轴向上游。第一管出口516可以位于第二管512的内部，目的是例如避免与热等离子体接触。一般地，等离子体形成气体、将与等离子体形成气体或与在等离子体焰炬508中生成的等离子体混合或相互作用的流体（例如，包含样本的运载气体）和可选的附加流体可以进给到管510、512和514中的任何一个。在一些实施例中，将与等离子体羽532混合或相互作用的流体供应到第一管510使得流体排出到等离子体羽532的中心区域534中，所述中心区域可以是如上所述的冷或空心区域。在一些实施例中，可选的附加流体可以供应到等离子体焰炬508，目的是例如保持来自焰炬出口的期望流率、径向地限制或控制等离子体羽532的形状和/或保持热等离子体远离等离子体焰炬508的表面。

在其它实施例中，通过在等离子体焰炬508中具有零流率或通过封闭在定位于共振腔中的闭合或可闭合室中，（一种或多种）等离子体气体可以在一个或多个共振腔中保持静止。因此可以在零流率等离子体焰炬508或其它类型的室中执行等离子体工艺。

从前面的描述显而易见，本文中公开的某些实施例允许微波辐射、例如磁控管生成微波辐射直接耦合到工艺气体以产生、维持或另外激发等离子体排出。这可以在小占地面积内、用很少的活动部分或不用活动部分并且以最小化或消除需要在磁控管或其它微波能量源的外部的微波硬件的这样的方式实现。一般地，共振微波部件的尺寸标度由微波辐射的波长设置，所述波长由等离子体要求设置。这导致共振结构和耦合元件的尺寸的基本最小限度。通过消除需要这样的部件，本文中公开的实施例可以在很大程度上去除这样的限制。更小的尺寸和更短的零件列表也可以转化为成本和复杂性的减小，这例如可以便于经济的和便携的光谱测定/光谱仪器的开发。

而且，本文中公开的某些实施例利用磁控管EM场图案中存在的固有旋转对称性。这可以消除需要微波发生器和等离子体之间的中间部件（例如，共振膜片、高介电接口），并且因此可以解决EM场分布和等离子体之间的对称性失配的传统问题。另外，本文中公开的某些实施例也很好地适合于分析和等离子体处理应用，以及可以受益于紧凑、耐震和稳定等离子体源的其它应用。等离子体源可以具有自动稳定和自动阻抗匹配，其程度可以部分地或完全地补偿与等离子体焰炬中存在变化等离子体状态关联的扰动，所述扰动例如可能在引入到等离子体焰炬的分析物的组分或量的变化期间发生。

示例性实施例

根据当前公开的主题提供的示例性实施例包括但不限于以下：

1.一种用于生成微波感应等离子体的等离子体源，其包括：微波能量源，所述微波能量源包括在阴极轴线上的阴极，和同轴地围绕所述阴极并且通过相互作用空间与所述阴极间隔的阳极，所述阳极包括定位在离所述阴极轴线一个或多个径向距离处的多个共振腔，其中所述微波能量源包括第一侧、第二侧和沿着所述阴极轴线从所述第一侧到所述第二侧的厚度；以及等离子体焰炬，所述等离子体焰炬延伸通过所述共振腔中的至少一个并且包括在所述第二侧的焰炬出口，其中所述等离子体焰炬建立从所述第一侧到所述第二侧的气体流动路径。

2.根据实施例1所述的等离子体源，其中所述等离子体焰炬沿着与所述阴极轴线平行的焰炬轴线延伸。

3.根据实施例1或2所述的等离子体源，其中所述阴极和所述相互作用空间布置在真空室中，并且所述等离子体焰炬与所述真空室流体地隔离。

4.根据实施例1-3中任一项所述的等离子体源，其中所述多个共振腔将所述阳极分隔成多个阳极段，并且还包括电互连交替阳极段的束带结构。

5.根据实施例1-4中任一项所述的等离子体源，其中所述微波能量源具有磁控管几何形状。

6.根据实施例1-5中任一项所述的等离子体源，其中所述微波能量源具有从孔和槽磁控管、叶片式磁控管、槽式磁控管或旭日式磁控管组成的群组选择的几何形状。

7.根据实施例1-6中任一项所述的等离子体源，其中所述等离子体焰炬包括延伸通过多个相应的共振腔的多个管，每个管建立从所述第一侧到所述第二侧的气体流动路径。

8.根据实施例1-7中任一项所述的等离子体源，其包括与所述第一侧的所述等离子体焰炬连通的等离子体形成气体源。

9.根据实施例8所述的等离子体源，其包括与所述第一侧的所述等离子体焰炬连通的附加气体源。

10.根据实施例1-9中任一项所述的等离子体源，其中所述等离子体焰炬包括在所述第一侧的焰炬入口和与所述焰炬入口连通的上游混合器，并且还包括相应地与所述混合器连通的第一气体管道和第二气体管道。

11.根据实施例1-10中任一项所述的等离子体源，其中所述等离子体焰炬包括第一管和围绕所述焰炬轴线同轴地围绕所述第一管的第二管。

12.一种等离子体处理系统，其包括：根据权利要求1所述的等离子体源，其中所述等离子体焰炬包括在所述第一侧的焰炬入口；与所述焰炬入口连通的等离子体形成气体源；以及包括与所述焰炬出口连通的室的装置。

13.根据实施例12所述的等离子体处理系统，其包括管道，所述管道配置成用于将附加气体引导到所述等离子体焰炬或所述室。

14.根据实施例12或13所述的等离子体处理系统，其中所述室从光发射光谱仪的室、质谱仪的室、配置成用于物理或化学汽相淀积的室、配置成用于化合物合成的室和配置成用于干蚀刻的室组成的群组选择。

15.一种用于供应等离子体的方法，所述方法包括：通过操作包括共振腔的微波能量源生成微波能量，等离子体焰炬延伸通过所述共振腔；通过将等离子体形成气体流动通过所述等离子体焰炬生成等离子体，其中所述等离子体形成气体由所述微波能量辐射；以及从所述等离子体焰炬的出口流动所述等离子体。

16.根据实施例15所述的方法，其包括在振荡的pi模式下操作所述微波能量源。

17.根据实施例15或16所述的方法，其中所述微波能量源包括浸没在磁场中的阴极和阳极，所述阳极同轴地围绕所述阴极并且通过相互作用空间与所述阴极间隔，并且所述共振腔通过所述阳极形成，并且其中生成微波能量包括在所述阴极和所述阳极之间施加DC电压并且从所述阴极热离子发射电子。

18.根据实施例15-17中任一项所述的方法，其中生成等离子体包括生成关于所述等离子体焰炬的轴线大体对称的圆柱形等离子体羽，同时所述等离子体焰炬浸没在与所述轴线对准的磁场中。

19.根据实施例18所述的方法，其中所述等离子体羽沿着所述等离子体焰炬的轴线是空心的并且具有圆形或椭圆形横截面。

20.根据实施例15-19中任一项所述的方法，其中所述等离子体形成气体从氮、其它非稀有气体、氩、其它稀有气体和前述气体的两种或更多种的组合组成的群组选择。

21.根据实施例15-20中任一项所述的方法，其包括在所述等离子体焰炬的上游、在所述等离子体焰炬中或在所述出口的下游的点混合所述等离子体形成气体和流体。

22.根据实施例21所述的方法，其包括使所述流体流动通过所述等离子体焰炬的中心管并且使所述等离子体形成气体流动通过所述中心管和所述等离子体焰炬的外管之间的环形空间。

23.根据实施例21或22所述的方法，其中所述流体从运载气体、可由等离子体赋能的分析物蒸汽或气体、具有夹带在其中的分析物的运载气体、具有夹带在其中的颗粒的运载气体和作为化学合成或膜淀积的前体的气相化合物组成的群组选择。

24.根据实施例21-23中任一项所述的方法，其中混合形成所述等离子体形成气体和其中夹带分析物的运载气体的混合物，并且流动等离子体包括流动具有所述混合物的等离子体使得等离子体与分析物相互作用。

25.根据实施例24所述的方法，其中当所述等离子体和所述混合物流动通过所述等离子体焰炬时所述等离子体雾化或电离所述分析物，并且还包括测量雾化或电离分析物的光发射或测量电离分析物的质荷比。

将理解诸如“连通”和“与…连通”（例如，第一部件与第二部件“连通”或“相连通”）的术语在本文中用于指示两个或更多个部件或元件之间的结构、功能、机械、电、信号、光、磁、电磁、离子或流体关系。因而，一个部件被说成与第二部件连通的事实不旨在排除附加部件可以存在于第一和第二部件之间和/或可操作地与第一和第二部件关联或接合的可能性。

将理解本发明的各方面和细节可以变化而不脱离本发明的范围。此外，前面的描述仅仅是为了举例说明的目的，而不是为了限制的目的，本发明由权利要求限定。

Claims (20)

1.一种用于生成微波感应等离子体的等离子体源，其包括：

微波能量源，所述微波能量源包括在阴极轴线上的阴极、和通过相互作用空间与所述阴极间隔的阳极，其中所述微波能量源包括第一侧、第二侧和沿着所述阴极轴线从所述第一侧到所述第二侧的厚度；以及

等离子体焰炬，所述等离子体焰炬定位在所述微波能量源处并且包括在所述第二侧的焰炬出口，其中所述等离子体焰炬建立从所述第一侧到所述第二侧的气体流动路径。

2.根据权利要求1所述的等离子体源，其中所述阳极包括定位在离所述阴极轴线一个或多个距离处的多个共振腔，并且所述等离子体焰炬延伸通过所述共振腔中的至少一个。

3.根据权利要求1所述的等离子体源，其中所述阴极和所述相互作用空间布置在真空室中，并且所述等离子体焰炬与所述真空室流体地隔离。

4.根据权利要求1所述的等离子体源，其中所述阳极包括定位在离所述阴极轴线一个或多个距离处的多个共振腔，并且所述阳极同轴地围绕所述阴极，并且所述共振腔定位在离所述阴极轴线一个或多个径向距离处。

5.根据权利要求1所述的等离子体源，其包括一个或多个附加等离子体焰炬，每个附加等离子体焰炬建立从所述第一侧到所述第二侧的气体流动路径。

6.根据权利要求1所述的等离子体源，其包括与所述第一侧的所述等离子体焰炬连通的等离子体形成气体源。

7.根据权利要求1所述的等离子体源，其中所述等离子体焰炬包括在所述第一侧的焰炬入口和与所述焰炬入口连通的上游混合器，并且还包括相应地与所述混合器连通的第一气体管道和第二气体管道。

8.根据权利要求1所述的等离子体源，其中所述等离子体焰炬包括第一管和同轴地围绕所述第一管的第二管。

9.一种等离子体处理系统，其包括：

根据权利要求1所述的等离子体源，其中所述等离子体焰炬包括在所述第一侧的焰炬入口；

与所述焰炬入口连通的等离子体形成气体源；以及

与所述焰炬出口连通的室。

10.根据权利要求9所述的等离子体处理系统，其包括管道，所述管道配置成用于将附加流体引导到所述等离子体焰炬或所述室。

11.根据权利要求9所述的等离子体处理系统，其中所述室是光发射光谱仪或质谱仪的一部分。

12.一种用于供应等离子体的方法，所述方法包括：

通过操作包括第一侧和第二侧的微波能量源生成微波能量；

通过将等离子体形成气体从所述第一侧流动到等离子体焰炬中生成等离子体，其中所述等离子体形成气体由所述微波能量辐射；以及

从所述第二侧的所述等离子体焰炬的出口流动所述等离子体。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述微波能量源包括浸没在磁场中的阴极和阳极，所述阳极同轴地围绕所述阴极并且通过相互作用空间与所述阴极间隔，并且所述共振腔通过所述阳极形成，并且其中生成微波能量包括在所述阴极和所述阳极之间施加DC电压并且在所述相互作用空间中提供电子。

14.根据权利要求12所述的方法，其中生成等离子体包括生成关于所述等离子体焰炬的轴线大体对称的圆柱形等离子体羽，同时所述等离子体焰炬浸没在与所述轴线对准的磁场中。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述等离子体羽包括沿着所述等离子体焰炬的轴线的低密度或低温度区域并且具有圆形或椭圆形横截面。

16.根据权利要求12所述的方法，其包括在所述等离子体焰炬的上游、在所述等离子体焰炬中或在所述出口的下游的点混合所述等离子体形成气体和流体。

17.根据权利要求16所述的方法，其包括使所述流体流动通过所述等离子体焰炬的中心管，并且使所述等离子体形成气体流动通过所述中心管和所述等离子体焰炬的外管之间的环形空间。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述流体从运载气体、可由等离子体赋能的分析物蒸汽或气体、具有夹带在其中的分析物的运载气体、具有夹带在其中的颗粒的运载气体、气溶胶和作为化学合成或膜淀积的前体的气相化合物组成的群组选择。

19.根据权利要求16所述的方法，其中混合形成所述等离子体形成气体和其中夹带分析物的运载气体的混合物，并且流动等离子体包括流动具有所述混合物的等离子体使得等离子体与分析物相互作用。

20.根据权利要求19所述的方法，其中当所述等离子体和所述混合物流动通过所述等离子体焰炬时，所述等离子体雾化或电离所述分析物，并且还包括测量雾化或电离分析物的光发射或测量电离分析物的质荷比。