CN108353492A - 具有同轴施加器、用于产生等离子体的基本装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于产生等离子体的基本装置(1)，包括：微波功率的同轴施加器(2)，该同轴施加器包括传导中央芯体(23)、包围所述中央芯体的传导外护罩(24)以及用于传播微波能量的介质(25)，所述介质位于中央芯体和护罩之间；以及用于耦合到微波发生器的系统(3)，该系统被放置在护罩上，其中，所述护罩具有利用由对微波能量透明的电介质材料制成的绝缘体(26)堵塞的近端，并且该绝缘体(26)具有被设置用于与位于室内部的待激励的气体接触的外表面(27)，并且其中，绝缘体从护罩向外延伸并且其外表面(27)是非平面的并且突出到护罩的外部，该体的外径从护罩至其顶端减小。本发明适用于产生等离子体的设备的领域。

Description

具有同轴施加器、用于产生等离子体的基本装置
本发明涉及用于产生等离子体的基本装置以及涉及用于产生等离子体的设备。
本发明更具体地涉及包括微波功率同轴施加器的用于产生等离子体的基本装置。
在多个领域中找到用于在限制室内产生等离子体的设备的应用，例如表面清洁、杀菌、沉积特别是等离子体增强化学气相沉积和金刚石沉积、蚀刻以及其他表面处理例如离子束溅射(或阴极溅射)。
为了在发生器和室内部之间传输微波能量，有必要使用用于产生等离子体的至少一个基本装置，并且通常使用相关联的通常被称为基本源的多个这样的基本装置。
参照图1(a)和图1(b)，常规的基本装置10包括微波功率同轴施加器100，其允许从波导或同轴电缆向室传输微波能量，这样的同轴施加器100包括沿主轴线延伸的传导中央芯体101、包围中央芯体101的传导外护罩102、位于中央芯体101和外护罩102之间的用于传播微波能量的介质103。外护罩102具有优选圆柱形的外围壁，其在远端104处由底壁封闭。同轴施加器100还包括具有波导或同轴电缆的耦合系统105，该耦合系统105以相对于底壁的给定距离设置在外护罩102的外围壁上。外护罩102在被设置成通向等离子体室(未示出)的相对的近端106处开口，该开口近端106被由对微波能量透明的电介质材料制成的绝缘体107封闭并且具有旨在与位于等离子体室内部的待激励的气体接触的外表面108。
实际上，传播介质103和等离子体室内部之间的连接需要使用绝缘电介质体107(例如由石英、氧化铝、氮化硼等制成)，这一方面确保朝向室的微波的运输，并且另一方面确保传播介质103和室内部之间的密封，室内部通常处于相对于环境大气压减小的压强下。
在图1(a)和图1(b)的两个示例中，绝缘体107的外表面108是平面的，而不管同轴施加器100的配置如何，该同轴施加器100具有完全穿过绝缘体107并且从其中突出的中央芯体101(图1(a))或者具有穿过绝缘体107并且其端部与外表面108齐平的中央芯体101(图1(b))。
因此，绝缘体107的外表面108是平面的，并且申请人已经发现：这样的平面表面引起绝缘体107的阻抗和等离子体的阻抗之间的非常突然的转变，这将自然地生成必须要通过同轴施加器上游的阻抗适配器补偿的反射功率。
文献WO 2014/009412公开了一种用于产生等离子体的基本装置，其包括微波功率同轴施加器，该微波功率同轴施加器包括沿主轴线延伸的传导中央芯体、包围中央芯体的传导外护罩、位于中央芯体和护罩之间的用于传播微波能量的介质，其中外护罩具有通过由对微波能量透明的电介质材料制成的绝缘体封闭的近端，其中该绝缘体呈具有旨在与位于室内部的待激励的气体接触的外表面的电介质管的形式，并且其中绝缘体根据主轴线向护罩外突出。
然而，在该文献WO 2014/009412中，电介质管的外表面是圆柱形的，具有直到其顶端的恒定直径，并且该绝缘体从护罩突出较大长度(大于其自身的外径)，因为该电介质管被设计和成形为满足表面波施加器的功能，换句话说，使得波(或微波能量)在电介质管和等离子体之间传播，并且这就是为什么该电介质管向护罩外突出至少是其外径的两倍的长度。
在本发明的背景下，目标是优化绝缘体的形状，不是为了增加微波能量在其自身表面和等离子体之间的传播，而是为了通过限制反射功率来促进微波能量在等离子体中的穿透。
本发明旨在解决上述缺点，并为此目的提出了用于产生等离子体的基本装置，该基本装置包括：微波功率同轴施加器，该微波功率同轴施加器包括沿主轴线延伸的传导中央芯体、包围所述中央芯体的传导外护罩、位于中央芯体和外护罩之间的用于传播微波能量的介质；用于与微波能量发生器耦合的系统，其中所述外护罩具有通过由对微波能量透明的电介质材料制成的绝缘体封闭的近端，并且绝缘体具有旨在与位于等离子体室内部的待激励的气体接触的外表面，所述外表面具有关于所述主轴线的旋转对称性，其中绝缘体根据主轴线向护罩外突出，所述装置的显著之处在于所述外表面是非平面的并且伸出到护罩外部，并且具有从护罩开始直到所述外表面的顶端沿主轴线减小的外径。
因此，当位于适当位置时，绝缘体穿透等离子体室的内部，并且其非平面外表面允许产生由非常形状的该外表面控制的等离子体体积，并且由此确保绝缘体的阻抗和等离子体的阻抗之间的非突然转变，这允许减小反射功率。
此外，绝缘体随着其远离护罩而变窄，换句话说，当绝缘体穿透待激励的气体内部时，其优点是改善了绝缘体的阻抗与等离子体的阻抗之间的转变。
根据可能性，外表面的外径从护罩开始直到其顶端沿主轴线连续地减小。
因此，外表面没有表现出其直径的任何不连续变化，换句话说，它没有台阶、阶梯或凹口，绝缘体更确切地具有用于优化能量传输的、直到其顶端的连续的外表面。
在第一实施方式中，绝缘体的外表面具有大致截头圆锥形状。
在该第一实施方式中，可以考虑两种可能性：
绝缘体的外表面具有在其端部截断并且具有平坦或圆形顶端的大致截头圆锥形状；或者
绝缘体的外表面具有在其端部不截断并且具有尖锐顶端的大致截头圆锥形状。
在第二实施方式中，绝缘体的外表面具有大致半球形状。
根据一个特征，绝缘体的外表面没有直角边缘。
根据另一特征，中央芯体具有嵌入到绝缘体内而不完全穿过所述绝缘体的近端。
在特定实施方式中，中央芯体的近端根据主轴线从护罩突出。
因此，中央芯体比护罩更长。
根据可能性，绝缘体和护罩围绕共同主轴线旋转，并且绝缘体的最大外径基本上等于或大于护罩的外径。
有利地，绝缘体具有与传播介质接触并且由中央芯体穿过的内表面，所述内表面是非平面的并且与主轴线不正交。
根据本发明的可能性，内表面具有在从同轴施加器的远端开始朝向由绝缘体封闭的近端的位移的方向上沿主轴线增加的外径。
根据本发明的另一可能性，绝缘体的内表面具有大致截头圆锥形状。
在有利的实施方式中，该体根据主轴线向护罩外突出小于或等于护罩在其近端的内径的距离。
因此，绝缘体伸出小于或等于护罩的近端处其自身外径的有限距离，用于优化微波能量的穿透，换句话说，用于减小传输期间的损耗和反射。
本发明涉及用于产生等离子体的设备，其包括：
室，在该室内产生并限制等离子体，所述室由隔壁界定；
至少一个微波能量发生器；
至少一个根据本发明的基本装置，所述基本装置的耦合系统与所述微波能量发生器耦合并且所述基本装置的绝缘体的外表面穿透室内部超出其隔壁。
根据本发明的可能性，同轴施加器的护罩由附接在室上并且以密封方式穿过其隔壁的部件构成。
根据本发明的另一可能性，同轴施加器的护罩至少部分地与隔壁一体地形成。
本发明的其他特征和优点将在阅读参照附图进行的实现方式的非限制性示例的如下详细描述时呈现，在附图中：
已经描述的图1(a)和图1(b)是用于产生等离子体的两个常规基本装置的示意性轴向截面图；
图2是根据本发明的第一基本装置的示意性轴向截面图；
图3是根据本发明的第二基本装置的示意性轴向截面图；
图4是根据本发明的第三基本装置的示意性轴向截面图；
图5是图2的第一基本装置的示意性透视图；
图6是其中放置有图2和图5中的第一基本装置的等离子体室内部的示意图；以及
图7是其中放置有图2和图5中的几个第一基本装置的等离子体室内部的示意图。
图2至图5示出了用于产生等离子体的基本装置1的三个实施方式，其中图2和图5中示出了第一实施方式，图3中示出了第二实施方式并且图4中示出了第三实施方式，并且除非另外明确地或隐含地阐明，否则结构上或功能上相同或相似的构件、部件、装置或元件在这些附图中将由相同的附图标记指定。
基本装置1包括微波功率同轴施加器2，该微波功率同轴施加器2被设置用于确保微波能量发生器(未示出)特别是固态发生器类型与等离子体室4的内部之间的微波能量的传输(如图6和图7所示)。
该同轴施加器2被制成丝状形状，即沿主轴线AP延长，并且其具有：
远端21；以及
旨在通向室4的相对的近端22。
同轴施加器2包括：
沿主轴线AP延伸并且呈杆的形式并且特别是具有恒定截面的杆的传导中央芯体23；
包围中央芯23的传导外护罩24，该外护罩24呈中空套筒的形式，包括具有以主轴线AP为中心的圆柱形内表面的外围壁以及封闭同轴施加器2的远端21的底壁；
位于中央芯体23和护罩24之间的用于传播微波能量的介质25，该传播介质25例如由空气构成；以及
由对微波能量透明的电介质材料制成的绝缘体26，该绝缘体26被设置在同轴施加器2的近端22上。
在近端22处，护罩24具有由绝缘体26封闭的开口近端，绝缘体26确保传播介质25与室4的内部之间的密封。
同轴施加器2还包括用于耦合到微波能量发生器的耦合系统3。该耦合系统3由确保与将发生器连接至耦合系统3的同轴电缆或波导(未示出)的连接的任何合适装置构成。
在图2至图4的示例中，耦合系统3被设计用于与同轴电缆耦合，并且为此目的具有同轴结构类型的结构，这种同轴结构通常包括与同轴施加器2的护罩24(下面描述的)接触并且包围与同轴施加器2的中央芯体23(下面描述的)接触的内导体的外导体。
耦合系统3可以被定位在护罩24的底壁上或其外围壁上。
绝缘体26完全封闭同轴施加器2的近端22，由此将通常保持在低压下的室4的内部与处于环境大气压的传播介质25分开。
绝缘体26是围绕主轴线AP旋转的部分，并且具有旨在与室4的内部接触并且更确切地与位于室4内部的待激励的气体接触的外表面27。
此外，该绝缘体26根据主轴线AP向护罩24外突出距离DC，并且其外表面27是非平面的并且以该距离DC伸出到护罩24外部。
该距离DC小于或等于护罩24在其近端处的内径，护罩24的近端的内径表示其与绝缘体26接触的外围或圆柱形内表面的直径。因此，该距离DC小于或等于在护罩24的近端处考虑的绝缘体26的外径。
因此该外表面27向护罩24外弯曲而没有直角边缘，并且其具有围绕主轴线AP的旋转对称性。
通常，该外表面27的直径从护罩24开始直到其顶端沿主轴线AP连续地减小(即没有任何阶梯、凹口或台阶)。
该外表面27例如具有：在其端部截断并且具有平坦顶端(如图2、图3和图5所示)的大致截头圆锥形状；或者在其端部不截断并且呈现尖锐顶端的大致截头圆锥形状(如图4所示)。
应该注意，外表面27具有大致笔直(具有直母线，如图2至图7所示)或者凹形或凸形(具有弯曲母线)截头圆锥形状。
在未示出的变型中，外表面27具有在其端部处截断并且有圆形顶端的大致截头圆锥形状或者具有大致半球形形状。
通常，外表面27具有从护罩24开始直到其顶端(或其自由端)沿主轴线AP减小的外径。因此，当远离护罩24(并且因此通过插入室4内部)时，外表面27的外径例如规则地(截头圆锥表面)或不规则地减小。
另外，绝缘体26还具有与传播介质25接触的内表面28，其完全被护罩24包围并且由中央芯体23穿过，该内表面28是与传播介质25接触的横向表面。
如图3和图4中的实施方式所示，该内表面28可以是平面的并且垂直于主轴线AP。
有利地并且如图2中的实施方式所示，该内表面28可以是非平面的。该内表面28是非平面的，出于与针对外表面27所提及的原因相同的原因，即用于通过绝缘体26促进传播介质25的波穿透到待激励的气体，以及避免突然的阻抗中断并且避免无用的反射功率的生成。
通常，内表面28与主轴线AP不正交，并且具有在从远端21开始朝向由绝缘体26封闭的近端22的位移的方向上沿主轴线AP增加的外径。
该内表面28例如具有大致截头圆锥形状，并且更确切地具有大致笔直(具有直母线，如图2所示)或者凹形或凸形(具有弯曲母线)截头圆锥形状。
在图2至图4所示的实施方式中，中央芯体23具有嵌入绝缘体26内部而不完全穿过该绝缘体26的近端。
在图2和图3的示例中，中央芯体23的近端根据主轴线AP从护罩24突出小于距离DC的距离DA。
在图4的示例中，中央芯体23的近端定位成与护罩24的近端对准，并且因此不从护罩24突出。
在图2和图4的示例中，绝缘体26的最大外径基本上等于护罩24的内径。在图3的示例中，绝缘体26的最大外径基本上等于护罩24的外径，使得绝缘体26具有延伸通过基本上等于护罩24的内径的减小的直径的部分的肩部，该部分被推入护罩24中。
在未示出的变型中，中央芯体23的近端被设置在相对于护罩24的近端的后方(在护罩24的内侧上)。
在未示出的变型中，绝缘体26的最大外径大于护罩24的外径。在绝缘体26的最大外径等于或大于护罩24的外径的情况下，也可以想到，绝缘体26与室4的隔壁40部分地接触。
这种基本装置1在用于产生等离子体的设备中使用，所述设备包括：
室4，在室4内产生并限制等离子体，该室由隔壁40界定；
至少一个微波能量发生器(未示出)，特别是固态发生器类型；
至少一个同轴电缆或波导(未示出)，其一方面连接至所述发生器并且另一方面连接至基本装置1的耦合系统3；以及
至少一个基本装置1，其绝缘体26的外表面27穿透室内部超出其隔壁40，如图6和图7所示。
应该注意，同轴施加器2的护罩24：
由附接在室4上并且以密封方式穿过其隔壁40的部件构成；
或者至少部分地与隔壁40一体地形成，换句话说，该护罩24部分地或全部地由隔壁40自身形成。

Claims (14)

1.一种用于产生等离子体的基本装置(1)，包括：微波功率的同轴施加器(2)，所述同轴施加器包括沿主轴线(AP)延伸的传导中央芯体(23)、包围所述中央芯体(23)的传导外护罩(24)、位于所述中央芯体(23)和所述护罩(24)之间的用于传播微波能量的介质(25)；用于耦合到微波能量发生器的耦合系统(3)，所述耦合系统(3)被设置在所述外护罩(24)上，其中所述外护罩(24)具有通过由对所述微波能量透明的电介质材料制成的绝缘体(26)封闭的近端，并且所述绝缘体(26)具有旨在与位于室(4)内部的待激励的气体接触的外表面(27)，所述外表面(27)具有关于所述主轴线(AP)的旋转对称性，其中所述绝缘体(26)根据所述主轴线(AP)向所述护罩(24)外突出，所述基本装置(1)的特征在于：所述外表面(27)是非平面的并且伸出到所述护罩(24)外部，并且具有从所述护罩(24)开始直到所述外表面的顶端沿所述主轴线(AP)减小的外径。
2.根据权利要求1所述的基本装置(1)，其中，所述外表面(27)的外径从所述护罩(24)开始直到所述外表面的顶端沿所述主轴线(AP)连续地减小。
3.根据权利要求2所述的基本装置(1)，其中，所述绝缘体(26)的所述外表面(27)具有大致截头圆锥或半球形状。
4.根据权利要求3所述的基本装置(1)，其中，所述绝缘体(26)的所述外表面(27)具有：在其端部截断并且具有平坦或圆形顶端的大致截头圆锥形状；或者在其端部不截断并且具有尖锐顶端的大致截头圆锥形状。
5.根据前述权利要求中任一项所述的基本装置(1)，其中，所述绝缘体(26)的所述外表面(27)不具有直角边缘。
6.根据前述权利要求中任一项所述的基本装置(1)，其中，所述中央芯体(23)具有嵌入所述绝缘体(26)内部而不完全穿过所述绝缘体(26)的近端。
7.根据权利要求6所述的基本装置(1)，其中，所述中央芯体(23)的所述近端根据所述主轴线(AP)从所述护罩(24)突出。
8.根据前述权利要求中任一项所述的基本装置(1)，其中，所述绝缘体(26)和所述护罩(24)围绕公共主轴线(AP)旋转，并且所述绝缘体(26)的最大外径基本上等于或大于所述护罩(24)的外径。
9.根据前述权利要求中任一项所述的基本装置(1)，其中，所述绝缘体(26)具有与所述传播介质(25)接触并且被所述中央芯体(23)穿过的内表面(28)，所述内表面(28)是非平面的并且与所述主轴线(AP)不正交。
10.根据权利要求9所述的基本装置(1)，其中，所述内表面(28)具有在从所述同轴施加器(2)的远端(21)朝向由所述绝缘体(26)封闭的近端(22)的位移的方向上沿所述主轴线(AP)增加的外径。
11.根据权利要求9或10所述的基本装置(1)，其中，所述绝缘体(26)的所述内表面(28)具有大致截头圆锥形状。
12.根据前述权利要求中任一项所述的基本装置(1)，其中，所述绝缘体(26)根据所述主轴线(AP)向所述护罩(24)外突出小于或等于所述护罩(24)在其近端的内径的距离(DC)。
13.一种用于产生等离子体的设备，包括：
室(4)，在所述室(4)内产生并限制等离子体，所述室(4)由隔壁(40)界定；
至少一个微波能量发生器；
至少一个根据前述权利要求中任一项所述的基本装置(1)，所述基本装置(1)的耦合系统(3)与所述微波能量发生器耦合，并且所述基本装置(1)的绝缘体(26)的外表面(27)穿透所述室(4)超出其隔壁(40)。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述同轴施加器(2)的护罩(24)由附接在所述室(4)上并且以密封方式穿过其隔壁(40)的部件构成或者至少部分地与所述隔壁(40)一体地形成。
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