CN109769335A - 一种射频微放电长尺度等离子体产生装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种射频微放电长尺度等离子体产生装置及方法，包括石英管，石英管的一端密封连接有进气真空腔室，石英管的另一端密封连接有出气真空腔室，石英管上按照从进气真空腔室至出气真空腔室的方向依次套设有接地电极、高压电极和放电线圈，高压电极和放电线圈的近端导通，高压电极通过同轴传输线连接射频电源系统，接地电极、放电线圈的远端与公共地连接。本发明结合了平板电极和放电线圈这两种放电形式，在高压电极的下游增加了放电线圈，从而提高了射频放电时在中、高气压下的稳定性和等离子体间距，使得本发明可以实现中、高气压下，小气流和小射频功率下长尺度、放电轴向均匀的等离子体的产生和维持。
Description
技术领域
本发明涉及射频放电离子体产生装置技术领域，特别是涉及一种射频微放电长尺度等离子体产生装置及方法。
背景技术
射频放电产生的等离子体应用广泛，如低气压大面积射频放电，可以用于芯片刻蚀、薄膜沉积以及为离子源提供离子等；而中高气压的射频放电有射频等离子体炬、大气压等离子体射流等。
大气压射频等离子体射流。一般实现方法，就是在一个非常细小的石英管外缠绕放电线圈或者采用平面电极，然后在石英管内部通过大流量的工作气体，当在放电线圈或者平面电极上通过射频电压时，会在石英管内部产生等离子体，并喷出。大气压射频放电等离子体射流一般工作在较低的射频频率下，如13.56MHz以下；并且仅仅采用单一的放电线圈或者单一的平板电极产生。射流放电时，等离子体长度一般是通过气流的大小和射频功率的大小来调控；即为了获得长尺度的射流，就需要用大气流和大的射频功率来实现。如果采用大气流，小射频功率，放电就会被吹灭。而采用小气流和小的射频功率，等离子体就只会局域在放电电极之间，而不能形成射流。
原有的放电结构为两种，1、只采用高压电极和接地电极：两个电极之间一般距离1-2cm，高气压射频放电时，等离子体只能局域在两个电极之间，等离子体的尺度也在1-2cm之间，当两个电极距离再拉长时，将不能再产生等离子体；或者产生的等离子体的长度也不再增加；2、采用放电线圈射频放电：一般采用低频(小于20MHz)，在中、低气压时放电比较稳定；但在高气压放电时，放电的长度大大的缩短，而且随着线圈匝数的增加，等离子体还会出现明暗交替的条纹。
发明内容
本发明的目的是提供一种射频微放电长尺度等离子体产生装置及方法，以解决中、高气压放电时，等离子体的长度过短及等离子体密度轴向不均匀的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种射频微放电长尺度等离子体产生装置，包括石英管，所述石英管的一端密封连接有进气真空腔室，所述石英管的另一端密封连接有出气真空腔室，所述石英管上按照从所述进气真空腔室至所述出气真空腔室的方向依次套设有接地电极、高压电极和放电线圈，所述高压电极和所述放电线圈的近端导通，所述高压电极通过同轴传输线连接射频电源系统，所述接地电极、所述放电线圈的远端与公共地连接。
优选地，所述进气真空腔室通过密封组件连接有起辉棒，所述起辉棒的前端呈针尖状且垂直于所述石英管的轴线，所述起辉棒通过同轴传输线连接中频电源系统，所述同轴传输线的外导体与所述公共地连接。
优选地，所述中频电源系统的输出频率为1-100kHz；所述射频电源系统包括通过同轴传输线连接的射频功率源和射频匹配器，所述射频功率源的输出频率为1-100MHz，所述射频功率源的功率不大于100W。
优选地，所述进气真空腔室和所述出气真空腔室的一端均固定连接有螺纹接口，所述石英管插接于所述螺纹接口内，所述石英管上套设有与所述螺纹接口连接的螺母，所述螺母与所述螺纹接口之间设有密封圈，所述密封圈与所述螺母之间设有密封卡套，所述进气真空腔室的另一端设有进气法兰，所述进气法兰通过管道连接有进气系统，所述出气真空腔室的另一端设有出气法兰，所述出气法兰通过管道连接有抽气系统，所述进气法兰、所述出气法兰和所述石英管同轴设置。
优选地，所述进气真空腔室上设有气压计法兰，所述气压计法兰连接有气压监测装置。
优选地，所述接地电极、所述高压电极和所述放电线圈外设有屏蔽层。
优选地，所述石英管的内径为2-15mm，所述石英管内的工作气压为1-10000Pa，气体流速为100-1000mL/min。
优选地，所述接地电极和所述高压电极均为金属环形片状结构，所述接地电极和所述高压电极之间的距离为1-2cm，所述放电线圈的匝数为1-10匝。
本发明还提供了一种射频微放电长尺度等离子体产生方法，利用上述技术方案中任一项所述的射频微放电长尺度等离子体产生装置实施，包括如下步骤：
S1：将进气真空腔室、石英管和出气真空腔室构成的内部空间抽本底真空；
S2：将工作气体输入到石英管的反应室内，控制工作气压为1-10000Pa，气体流速为100-1000mL/min；
S3：射频电源系统将射频功率输出到高压电极和放电线圈上，射频电源系统的输出频率为1-100MHz，功率不大于100W，即可在石英管中产生和维持长尺度且放电轴向均匀的等离子体。
优选地，在进气真空腔室中设有起辉棒的情况下，执行步骤S3之前先将与起辉棒连接的中频电源系统打开，输出频率为1-100kHz的高压到起辉棒上，建立初始等离子体。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明结合了平板电极和放电线圈这两种放电形式，在高压电极的下游增加了放电线圈，从而提高了射频放电时在中、高气压下的稳定性和等离子体间距，使得本发明可以实现中、高气压下，小气流和小射频功率下长尺度、放电轴向均匀的等离子体的产生和维持。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明射频微放电长尺度等离子体产生装置的结构示意图；
其中：1-气压计法兰，2-进气真空腔室，3-进气法兰，4-起辉棒，5-密封组件，6-屏蔽层，7-石英管，8-接地电极，9-高压电极，10-放电线圈，11-密封卡套，12-螺母，13-密封圈，14-螺纹接口，15-出气真空腔室，16-出气法兰。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1所示：本实施例提供了一种射频微放电长尺度等离子体产生装置，包括石英管7，石英管7的内径为2-15mm。石英管7的一端密封连接有进气真空腔室2，石英管7的另一端密封连接有出气真空腔室15。进气真空腔室2的周向设有气压计法兰1，气压计法兰1密封连接有气压监测装置。进气真空腔室2和出气真空腔室15的一端均固定连接有螺纹接口14，石英管7插接于螺纹接口14内，石英管7上套设有与螺纹接口14连接的螺母12，螺母12与螺纹接口14之间设有密封圈13，密封圈13与螺母12之间设有密封卡套11，进气真空腔室2的另一端设有进气法兰3，进气法兰3通过管道连接有进气系统，进气系统通常包括依次连通的气瓶、气体质量流量计以及管道阀门，管道阀门与进气法兰3连接，出气真空腔室15的另一端设有出气法兰16，出气法兰16通过管道连接有抽气系统，进气法兰3、出气法兰16和石英管7同轴设置。通过设置进气系统的管道阀门的开度和抽气系统的流量，控制石英管7内的工作气压为1-10000Pa，气体流速为100-1000mL/min。
石英管7上按照从进气真空腔室2至出气真空腔室15的方向依次套设有接地电极8、高压电极9和放电线圈10，高压电极9和放电线圈10的近端导通，接地电极8和高压电极9均为金属环形片状结构，接地电极8和高压电极9之间的距离为1-2cm，放电线圈10的匝数为1-10匝。接地电极8、高压电极9和放电线圈10外设有屏蔽层6，以对接地电极8和高压电极9之间以及放电线圈10上产生的电磁场进行有效的屏蔽。屏蔽层6优选为铝盒，铝盒的两端分别与进气真空腔室2和出气真空腔室15连接。高压电极9通过同轴传输线连接射频电源系统，射频电源系统包括通过同轴传输线连接的射频功率源和射频匹配器，射频功率源的输出频率为1-100MHz，射频功率源的功率不大于100W。接地电极8、放电线圈10的远端均与公共地连接。
进气真空腔室2的周向通过密封组件5连接有起辉棒4，起辉棒4的前端呈针尖状且垂直于石英管7的轴线，起辉棒4通过同轴传输线连接中频电源系统，中频电源系统用于给起辉棒4提供起辉电压，用于初始等离子体的建立。中频电源系统的输出频率可以为1-100kHz，同轴传输线的外导体与公共地连接。本实施例通过设置起辉棒4，解决了中、高气压下初始等离子体建立苦难的问题。
本实施例还提供了一种射频微放电长尺度等离子体产生方法，利用上述的射频微放电长尺度等离子体产生装置实施，包括如下步骤：
S1：将进气真空腔室2、石英管7和出气真空腔室15构成的内部空间抽本底真空，本底真空度优选为10-3Pa；
S2：将工作气体输入到石英管7的反应室内，控制工作气压为1-10000Pa，气体流速为100-1000mL/min；
S3：将与起辉棒4连接的中频电源系统打开，输出频率为1-100kHz的高压到起辉棒4上，建立初始等离子体；
S4：射频电源系统将射频功率输出到高压电极9和放电线圈10上，射频电源系统的输出频率为1-100MHz，功率不大于100W，即可在石英管7中产生和维持长尺度且放电轴向均匀的等离子体。
本实施例通过结合平板电极和放电线圈10这两种放电形式，在高压电极9的下游增加了放电线圈10，从而提高了射频放电时在中、高气压下的稳定性和等离子体间距，使得本发明可以实现中、高气压下，小气流和小射频功率下长尺度、放电轴向均匀的等离子体的产生和维持。区别与传统的长尺度等离子体的产生方法，利用微放电实现，长尺度、放电轴向均匀的等离子体的产生和维持，其中的“微放电”指：1、石英管7的反应室的直径小，即石英管7的内径一般是2-15mm；2、工作气体流速小，相对大气压射频的几L/min的流速而言，本发明采用100-1000mL/min的流速；3、射频功率小，射频功率相对大气压射流的上千瓦功率而言，本申请采用的是几瓦到几十瓦不等，且放电采用的射频频率也能够很宽泛，从1MHz-100MHz射频放电皆可。因此，本发明克服了本领域技术人员认为的要想产生长尺度等离子体只能通过大气流和大射频功率来实现的技术偏见。
本实施例主要针对中高气压不易产生大长度等离子体的技术问题，但由于低气压放电时，等离子体长度会扩散的很长，本发明在中、高气压放电能够产生长尺度的等离子体，在低气压放电时更能够产生长尺度的等离子体，且等离子体的尺度通常会在3-10cm。因此，本实施例能够在低、中、高气压下产生高密度大尺度且放电轴线均匀的等离子体。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种射频微放电长尺度等离子体产生装置，其特征在于：包括石英管，所述石英管的一端密封连接有进气真空腔室，所述石英管的另一端密封连接有出气真空腔室，所述石英管上按照从所述进气真空腔室至所述出气真空腔室的方向依次套设有接地电极、高压电极和放电线圈，所述高压电极和所述放电线圈的近端导通，所述高压电极通过同轴传输线连接射频电源系统，所述接地电极、所述放电线圈的远端与公共地连接。
2.根据权利要求1所述的射频微放电长尺度等离子体产生装置，其特征在于：所述进气真空腔室通过密封组件连接有起辉棒，所述起辉棒的前端呈针尖状且垂直于所述石英管的轴线，所述起辉棒通过同轴传输线连接中频电源系统，所述同轴传输线的外导体与所述公共地连接。
3.根据权利要求2所述的射频微放电长尺度等离子体产生装置，其特征在于：所述中频电源系统的输出频率为1-100kHz；所述射频电源系统包括通过同轴传输线连接的射频功率源和射频匹配器，所述射频功率源的输出频率为1-100MHz，所述射频功率源的功率不大于100W。
4.根据权利要求1所述的射频微放电长尺度等离子体产生装置，其特征在于：所述进气真空腔室和所述出气真空腔室的一端均固定连接有螺纹接口，所述石英管插接于所述螺纹接口内，所述石英管上套设有与所述螺纹接口连接的螺母，所述螺母与所述螺纹接口之间设有密封圈，所述密封圈与所述螺母之间设有密封卡套，所述进气真空腔室的另一端设有进气法兰，所述进气法兰通过管道连接有进气系统，所述出气真空腔室的另一端设有出气法兰，所述出气法兰通过管道连接有抽气系统，所述进气法兰、所述出气法兰和所述石英管同轴设置。
5.根据权利要求1所述的射频微放电长尺度等离子体产生装置，其特征在于：所述进气真空腔室上设有气压计法兰，所述气压计法兰连接有气压监测装置。
6.根据权利要求1所述的射频微放电长尺度等离子体产生装置，其特征在于：所述接地电极、所述高压电极和所述放电线圈外设有屏蔽层。
7.根据权利要求1所述的射频微放电长尺度等离子体产生装置，其特征在于：所述石英管的内径为2-15mm，所述石英管内的工作气压为1-10000Pa，气体流速为100-1000mL/min。
8.根据权利要求1所述的射频微放电长尺度等离子体产生装置，其特征在于：所述接地电极和所述高压电极均为金属环形片状结构，所述接地电极和所述高压电极之间的距离为1-2cm，所述放电线圈的匝数为1-10匝。
9.一种射频微放电长尺度等离子体产生方法，利用权利要求1-8中任一项所述的射频微放电长尺度等离子体产生装置实施，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将进气真空腔室、石英管和出气真空腔室构成的内部空间抽本底真空；
S2：将工作气体输入到石英管的反应室内，控制工作气压为1-10000Pa，气体流速为100-1000mL/min；
S3：射频电源系统将射频功率输出到高压电极和放电线圈上，射频电源系统的输出频率为1-100MHz，功率不大于100W，即可在石英管中产生和维持长尺度且放电轴向均匀的等离子体。
10.根据权利要求9所述的射频微放电长尺度等离子体产生方法，其特征在于：在进气真空腔室中设有起辉棒的情况下，执行步骤S3之前先将与起辉棒连接的中频电源系统打开，输出频率为1-100kHz的高压到起辉棒上，建立初始等离子体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20190517 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |