CN109302791A - 微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统，包括有微波等离子体放电腔和扩散腔，放电腔外部设有磁铁组件，扩散腔底部设有真空机组，放电腔与扩散腔之间相连通；放电腔为等离子体产生区，设有与气源连接的上、下进气管以及与微波源相连接的同轴圆波导，同轴圆波导内设有同轴微波天线；在磁铁组件产生的磁场增强下，使用同轴圆波导以及同轴微波天线在微波传输过程中控制微波能量损耗和馈入，从而激发工作气体产生均匀高密度线形微波等离子体源，并在扩散腔形成较均匀的高密度等离子体分布。本发明通过磁场增强和同轴微波天线，提高等离子体密度，调节微波传输过程中能量损耗及馈入，得到均匀高密度微波线形等离子体源。

Description

微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统
技术领域
本发明属于等离子体源产生装置领域，具体涉及一种微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统。
背景技术
低温等离子体技术可以为物质合成、材料处理等领域提供一种高效的反应氛围，可以使传统热化学无法实现的反应在接近室温的条件下发生，可提供低成本、绿色、高效的物质合成、转化及材料处理方法，在现代工业中起着日趋重要的作用。产生低温等离子体的主要方式是气体放电，其形式多种多样，主要有：直流放电、交流放电、辉光放电、射频放电、微波放电等。其中微波放电等离子体与其他气体放电方式产生的等离子体相比，它的电离密度较高，含有高浓度高活性自由基，同时还具有无极放电、放电稳定，可控性好等优点，是应用于材料沉积、表面改性等领域的一种重要手段。微波等离子体应用的一个重要问题是如何产生均匀大面积微波等离子体 ,这是等离子体应用从实验室走向产业化的一个至关重要的条件 ,也是当前等离子体应用研究的热点。近年来，一种线形微波等离子体源引起了国内外专家的关注，与传统大面积（二维方向）和大体积（三维方向）微波等离子体源不同，线形微波等离子体源仅需在一维方向实现均匀分布，采用多个线形微波等离子体源并排的方式即可产生均匀大面积微波等离子体。这种结构大大降低了高性能等离子体产生设备的开发难度，但仍存在一些问题，例如渐逝波导模式引起的等离子体不均匀，并且很难得到长距离的线形微波等离子体。为此，人们研制出各种装置来产生线形微波等离子体，其中微波天线对微波能量有着很好的调控作用，通过不同的开口方式可以调节微波能量的馈入点与馈入量。天线的引入可以调节微波能量由天线开口处馈入反应腔体同时激励工作气体产生高密度线形等离子体，实现等离子体分布均匀性。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，通过在系统中引入同轴微波天线，提供一种微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统。
本发明采用的技术方案是：
微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统，其特征在于：包括有微波等离子体放电腔和扩散腔，放电腔外部设有磁铁组件，扩散腔底部设有真空机组，放电腔与扩散腔之间相连通；所述放电腔为等离子体产生区，放电腔内设有与气源连接的上、下进气管以及与微波源相连接的同轴圆波导，同轴圆波导内设有同轴微波天线；所述的同轴圆波导由铜内导体与套在铜内导体外的石英玻璃管组成，以铜内导体作为同轴圆波导的内导体，以被石英玻璃管与铜内导体之间的微波电场激发的等离子体作为同轴圆波导的外导体；所述的同轴微波天线位于同轴圆波导中的铜内导体与石英玻璃管之间；在磁铁组件产生的磁场增强下，使用同轴圆波导以及同轴微波天线在微波传输过程中控制微波能量损耗和馈入，从而激发工作气体产生均匀高密度线形微波等离子体源,并在扩散腔形成较均匀的高密度等离子体分布。
所述的微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统，其特征在于：所述的同轴圆波导内贯穿整个波导的同轴微波天线为铜等良导体材料，开口方式可为开口半圆柱或三角楔形开口圆柱。
所述的微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统，其特征在于：所述的磁铁组件可组合形成发散场磁场分布，或形成类磁镜场磁场分布，以满足不同的应用范围。
所述的微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统，其特征在于：所述磁铁组件可为合金永磁材料或者铁氧体永磁材料。
所述的微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统，其特征在于：所述放电腔及扩散腔为无磁或弱磁不锈钢的真空腔体。
所述的微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统，其特征在于：所述的工作气体为惰性气体，或者还原性气体，或者汽化的液体，或者惰性气体与硅烷或烃类气体的混合气体。
所述的微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统，其特征在于：所述的扩散腔可内置基片台。
本发明的工作原理是：
本发明通过使用以等离子为外导体的同轴传输圆波导，使微波与等离子体通过相互作用在同轴圆波导内沿同轴波导传播，形成线形微波等离子体，通过漂移扩散在真空扩散腔内形成等离子体分布。在系统中引入永磁铁组件产生磁场，减少了边界带电粒子的损失，增加电子在有效范围内的碰撞频率使得等离子体密度得到提高。为提高等离子体密度均匀性，在系统中引入同轴微波天线位于同轴圆波导的铜内导体与石英玻璃管之间，从波导两端进来的微波在传播过程中由于同轴天线的作用，在天线开口处馈入反应腔体同时被工作气体吸收从而激发生成等离子体，等离子体再充当外导体与微波相互作用沿同轴波导继续传播。引入的同轴微波天线，可使得等离子体集中均匀分布在天线开口出，减少了微波在传播过程中的损耗，增加了等离子体密度分布均匀性，提高了该系统应用时的可控性。
本发明的优点是：
本发明采用磁场增强微波放电方式，提高等离子体密度，在系统中引入同轴微波天线位于同轴圆波导的铜内导体与石英玻璃管之间，使微波在传播过程中从天线开口处馈入反应腔体被工作气体吸收从而激发生成等离子体，可使得等离子体集中均匀分布在天线开口出，不仅减少了微波能量扩散损耗还增加了等离子体密度均匀性，提高了应用时对等离子体源可控性；本发明大大降低了微波等离子体应用于半导体、无机材料薄膜制备、等离子体清洗、等离子体刻蚀，或材料表面改性时设备的开发难度，易于实现工业化生产。
附图说明
图1是微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统横向截面示意图。
图2是微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统纵向截面示意图。
图3（a）是微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统磁场组件的磁场流体密度示意图。
图3（b）是微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统磁场组件的磁化方向示意图。
图4（a）是微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统中开口半圆柱同轴微波天线主视图。
图4（b）是微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统中开口半圆柱同轴微波天线俯视图。
图4（c）是微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统中开口半圆柱同轴微波天线侧视图。
图5（a）是微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统中三角楔形开口圆柱同轴微波天线主视图。
图5（b）是微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统中三角楔形开口圆柱同轴微波天线俯视图。
图5（c）是微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统中三角楔形开口圆柱同轴微波天线侧视图。
图6（a）是微波天线结构为开口半圆柱时微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统产生的等离子体密度分布模拟结果图。
图6（b）是微波天线结构为三角楔形开口圆柱时微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统产生的等离子体密度分布模拟结果图。
图6（c）是微波天线结构为开口半圆柱时微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统产生的等离子体密度分布的数据趋势图。
图6（d）是微波天线结构为三角楔形开口圆柱时微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统产生的等离子体密度分布的数据趋势图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体应用实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的应用范围。
如图1所示为微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统横向截面示意图，包括有与气源相连接的上、下进气管1和4，与同轴微波源相连接的同轴圆波导2，同轴圆波导2内形状为开口半圆柱的同轴微波天线3，无磁不锈钢放电腔5和扩散腔6，扩散腔可内置基片台7，真空机组8。图2为上述系统纵向截面图。图3为三块永磁铁9组成的磁铁组件及磁场位形图。本发明所述微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统，使用机械泵真空机组8抽真空，工作气体通过上进气管1和下进气管4进入真空室内，其中惰性气体和还原性气体通过进气管1，反应性前驱物气体通过进气管4进入等离子体下游区域，这样的气路设计有助于减少沉积过程中对反应腔体的污染。同轴圆波导2两端分别与同轴微波源相连接，以降低使用单一微波源因微波在波导中的衰减造成的等离子体不均匀性，微波源从波导两端进入在同轴微波天线3的作用下，微波能量从天线开口处馈入工作气体，使得工作气体电离产生的等离子体可均匀分部在放电腔下游区域，并充当外导体与微波相互作用使从两端进来的微波能量可以持续稳定的向前传播。同轴微波天线的作用，降低了部分微波能量的损耗将能量集中在放电腔下游区域从而使得等离子体密度分布均匀集中在距离基片台较近的放电腔下游区域。基片台7的位置可根据不同工矿需求进行调节以获得最佳沉积条件。三块永磁体9通过适当的组合形成的磁场位形用于提高等离子体密度。
如图3所示，磁场组件由永磁体多组磁钢组成，它们的磁场流体密度以及磁化方向如图（a）、（b）模拟所示。
同轴微波天线3可为开口半圆柱或三角楔形开口圆柱。如图4（a）、（b）、（c）所示，分别为开口半圆柱同轴微波天线的三视图，开口半圆柱同轴天线可将从两端进入的微波能量在开口处馈入工作气体从而在放电腔下游产生均匀高密度微波线形等离子体；如图5（a）、（b）、（c）所示，分别为三角楔形开口圆柱同轴微波天线的三视图，三角楔形开口圆柱同轴天线可控制微波能量的馈入量逐渐增加，在正中位置处达到最大，这样的设计可控制两端的微波能量馈入量与最大馈入点，两端的高能量微波得到约束，微波馈入量在正中达到峰值，从而在轴中产生高密度等离子体。
如图6所示，利用软件对本系统所产生的微波线形等离子体密度分布进行模拟。图（a）和图（b）分别为微波天线结构为开口半圆柱和三角楔形开口圆柱时所产生的轴向等离子体密度分布图；图（c）和图（d）分别为相对应的数据趋势图。由两组图的结果对比可以看出，微波天线为开口半圆柱时，高密度等离子体沿同轴圆波导均匀平行分布在天线开口下方；微波天线为三角楔形开口圆柱时，高密度等离子体集中分布在轴中区域，这是由于微波能量馈入量在天线的调控下由两端逐渐递增在轴中达到峰值，相应所激发的等离子体密度也在轴中得到最大。通过模拟计算，可以看出微波天线对微波能量起到有效的调控作用，我们可以根据需求设计不同的微波天线结构对微波能量以及等离子体密度进行调控。

Claims (7)

1.微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统，其特征在于：包括有微波等离子体放电腔和扩散腔，放电腔外部设有磁铁组件，扩散腔底部设有真空机组，放电腔与扩散腔之间相连通；所述放电腔为等离子体产生区，放电腔内设有与气源连接的上、下进气管以及与微波源相连接的同轴圆波导，同轴圆波导内设有同轴微波天线；所述的同轴圆波导由铜内导体与套在铜内导体外的石英玻璃管组成，以铜内导体作为同轴圆波导的内导体，以被石英玻璃管与铜内导体之间的微波电场激发的等离子体作为同轴圆波导的外导体；所述的同轴微波天线位于同轴圆波导中的铜内导体与石英玻璃管之间；在磁铁组件产生的磁场增强下，使用同轴圆波导以及同轴微波天线在微波传输过程中控制微波能量损耗和馈入，从而激发工作气体产生均匀高密度线形微波等离子体源，并在扩散腔形成较均匀的高密度等离子体分布。
2.根据权利要求1所述的微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统，其特征在于：所述的同轴圆波导内贯穿整个波导的同轴微波天线为良导体材料，开口方式可为开口半圆柱或三角楔形开口圆柱。
3.根据权利要求1所述的微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统，其特征在于：所述的磁铁组件可组合形成发散场磁场分布，或形成类磁镜场磁场分布，以满足不同的应用范围。
4.根据权利要求1所述的微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统，其特征在于：所述磁铁组件可为合金永磁材料或者铁氧体永磁材料。
5.根据权利要求1所述的微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统，其特征在于：所述放电腔及扩散腔为无磁或弱磁不锈钢的真空腔体。
6.根据权利要求1所述的微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统，其特征在于：所述的工作气体为惰性气体，或者还原性气体，或者汽化的液体，或者惰性气体与硅烷或烃类气体的混合气体。
7.根据权利要求1所述的微波天线调控磁增强线形等离子体源产生系统，其特征在于：所述的扩散腔可内置基片台。
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