CN110337170A - 一种基于电流驱动技术反场位形结构的高密度等离子体射流发生装置 - Google Patents

Abstract

一种基于电流驱动技术反场位形结构的高密度等离子体射流发生装置，属于低温等离子体的应用技术领域，本发明为解决射频感应耦合等离子体源在模式转换时存在不稳定放电阶段，导致等离子密度、电子能量分布、气体宏观温度以及均匀性很难同时满足要求的问题。本发明包括圆台型的石英腔体；石英腔体沿轴向分成两部分，靠近小端口的首端区域为等离子体产生区，靠近大端口的尾端区域为等离子体加速区；工作气体在等离子体产生区被击穿生成种子电子，所述种子电子在旋转磁场作用下生成高密度等离子体；所述等离子被拉伸至等离子体加速区进行加速形成等离子体射流，并向真空腔气室喷射。

Description

一种基于电流驱动技术反场位形结构的高密度等离子体射流 发生装置

技术领域

本发明属于低温等离子体的应用技术领域，涉及一种可用于低气压产生大面积、高密度、均匀稳定的等离子体射流发生装置。

背景技术

材料表面改性以及表面处理工艺已广泛应用于全球的制造工业领域。在材料表面处理领域，传统的工艺主要采用热喷处理、激光处理、电镀/化学镀等方法，均已取得了诸多进展。然而，随着日益增长的工业需求，对材料的新性能、新结构以及空间尺度都提出了更高的要求。例如在微电子芯片制造工艺中，为了提高电子芯片的计算效率，需要在大面积晶片上进行有效刻蚀，目前的刻蚀槽宽通常为纳米量级，甚至是几个纳米，这是传统工艺无法实现的。此外，随着我国航空航天的快速发展，对空间环境地面模拟的需求大大提高。例如，在研究高超飞行器再入过程的黑障问题时，其中的一个主要方向为研究电磁波与等离子体相互作用。这需要在地面模拟装置中利用一种特殊性能的材料来作为再入钝体模拟物，这种材料既要有耐高温、抗拉伸的特殊结构，又需要具备高透波率的特殊性能。这种特殊的材料制备利用传统的加工工艺是无法满足的。而等离子体处理则为传统的材料处理提供了新的方法，即可以满足材料的空间尺度(最小可达到几个纳米)又可以满足制备特殊结构/性能材料的需求，是一种新兴高效的材料处理手段。

目前用于材料处理领域的常见低温等离子体源主要包括射频容性耦合等离子体源(Capacitively Coupled Plasma,CCP)和射频感应耦合等离子体源(InductivelyCoupled Plasma,ICP)以及微波电子回旋共振等离子体源(Electron CyclotronResonance,ECR)，等等。其中射频容性耦合等离子体源是通过网络匹配装置将射频能量施加到两块平行板电极上，将极板间的工作气体电离得到所需的等离子体。射频容性耦合等离子体的密度范围通常在10¹⁰～10¹¹cm^-3，是最早应该于半导体刻蚀工艺的等离子体。早期的射频容性耦合等离子体采用单频驱动，其缺点是无法对产生的等离子体参数进行有效控制，如等离子体密度、离子能量及其分布角度等关键参数。过高的离子能量产生不必要的溅射，甚至引起被刻蚀材料的损伤。近几年，人们通过采用多频驱动方法，可以在一定程度上解决等离子体参数彼此独立控制的问题，但同时会引入新的问题，如高频电磁效应、多频间的耦合问题等。同时多频驱动在一定程度上会影响等离子体径向均匀分布。

微波电子回旋共振等离子体源是通过外部施加磁场，使真空室内某一区域里的电子回旋频率与微波源的频率相同或整数倍，从而使电子与微波场共振吸收能量再与中性气体碰撞产生高密度等离子体。电子回旋共振等离子体源产生的等离子体密度通常在10¹²cm^-3以上，且可通过微波的功率大小来对电子温度、电子密度及电子能量分布进行有效调控。然而，由于电子回旋共振等离子体源装置需要引入外施磁场，导致装置成本大大提高且控制复杂。

射频感应耦合等离子体源是上世纪90年代提出一种可在低气压环境下产生高密度等离子体的装置。射频感性耦合等离子体源是属于无极驱动装置，是将能量耦合传递给等离子体，因此可以将外部环境带来的污染降到最低。同时，由于射频感应耦合等离子体是由线圈中的交变电流来产生磁场，因此无需额外引入设备昂贵的直流磁场设备，大大降低了装置成本，简化了操作工序。目前较为常用的射频感应耦合等离子体源结构主要包括三种类型：第一种是平面线圈结构，即将一个平面线圈坐落在放电腔室顶部的介质窗上面；第二种是柱状线圈结构，即将线圈缠绕在圆柱形的石英放电腔室的侧壁；第三种是凹腔线圈结构，即在真空腔室内部开辟出一块区域连通大气，将线圈放置在该区域驱动产生等离子体。为了能够得到更密度的等离子体，科研人员对射频感应耦合等离子体源不断进行改良，通常采用改变放电线圈位形及真空腔室外形，或采用多线圈共同进行驱动来产生大面积、高密度等离子体。然而这些改进仍存在一个共同的不足，即受射频感应耦合等离子体源自身原理限制，放电存在着模式转换过程，即放电由低功率驱动的E模式向高功率驱动的H模式转换。而大多数射频感应耦合等离子体源的应用都工作在H模式区，这意味着在放电过程中存在着一段的不稳定的模式转换阶段。这对应用而言存在着极大的不便，甚至会破坏被处理材料。

此外，目前利用低温等离子体源处理材料主要依靠等离子体的漂移扩散，这种漂移扩散达到下游端时其等离子体密度及电子能量分布大大改变，无法实现预期的等离子体参数。而等离子体射流则可以很好的解决这一问题。但低气压下的等离子体射流通常以高功率密度、高热的电弧放电形式为主，无法应用于常规的材料处理。

发明内容

本发明目的是为了解决射频感应耦合等离子体源在模式转换时存在不稳定放电阶段，导致等离子密度、电子能量分布、气体宏观温度以及均匀性很难同时满足要求的问题。本发明基于电流驱动技术反场位形结构提出一种可在较宽气压范围内，产生大面积均匀稳定、高密度且宏观气体温度温和的等离子体射流发生装置。

本发明所述一种基于电流驱动技术反场位形结构的高密度等离子体射流发生装置包括圆台型的石英腔体1；石英腔体1沿轴向分成两部分，靠近小端口的首端区域为等离子体产生区，靠近大端口的尾端区域为等离子体加速区；工作气体在等离子体产生区被击穿生成种子电子，所述种子电子在旋转磁场作用下生成高密度等离子体；所述等离子被拉伸至等离子体加速区进行加速形成等离子体射流，并向真空腔气室喷射。

优选地，石英腔体1的小端口采用小端法兰盖2封堵，小端法兰盖2的中心设置有进气口204，用于向石英腔体1内通入工作气体；石英腔体1的大端口通过大端法兰盖3与真空腔气室连通；小端法兰盖2和大端法兰盖3之间通过四根长杆螺栓4固定连接。

优选地，等离子体产生区由n组马鞍线圈5和m组电离线圈7产成的磁场构建而成；

m组电离线圈7缠绕固定在四根长杆螺栓4上、且与石英腔体1首端区域对应，m组电离线圈7用于对工作气体预电离生成种子电子；

小端法兰盖2沿圆周方向均布n对线圈安装孔202，用于n组马鞍线圈5的进线端和出线端的固定安装，n组马鞍线圈5缠绕在石英腔体1的首端区域的外部；n组马鞍线圈5用于产生旋转磁场，令种子电子在放电模式稳定后产生闭合旋转等离子体。

优选地，等离子体加速区由两对正交的加速线圈6产生的磁场构建而成；两对正交的加速线圈6对称布置在石英腔体1尾端区域的外部，用于将等离子体拉伸至等离子体加速区进行加速形成等离子体射流。

优选地，小端法兰盖2内端面设置有小端圆环凹槽203，用于与石英腔体1的小端口插接固定；大端法兰盖3内端面设置有大端圆环凹槽303，用于与石英腔体1的大端口插接固定，大端法兰盖3中间区域设置与真空腔气室连通的等离子体喷射口304，大端法兰盖3设置有一圈用于与真空腔气室固定连接的安装孔302；小端法兰盖2和大端法兰盖3对应设置用于固定长杆螺栓4的小端螺栓孔201和大端螺栓孔301。

优选地，电离线圈7外接13.56MHz，功率为0～2000W可调射频功率源；马鞍线圈5外接200kHz的高频交流电源；加速线圈6外接直流电源。

优选地，n＝3，小端法兰盖2沿圆周方向均布3对线圈安装孔202，每组马鞍线圈5的进线端和出线端固定在一对线圈安装孔202，3组马鞍线圈5通入的交流电源相位依次滞后120度电角度。

优选地，马鞍线圈5、加速线圈6、电离线圈7的线圈间铜管外部覆盖一层热缩管进行匝间绝缘；线圈间铜管内部充入冷水用于线圈冷却。

本发明的有益效果：

(1)在不牺牲稳定性前提条件下，有效增加等离子体密度。经实验测量，在相同气压、功率条件下，本发明装置产生的等离子体密度比射频感应耦合等离子体源产生的密度更高，可高达10¹³cm^-3；

(2)将等离子体产生区与加速区分开，可以极大程度的避免模式转换带来的不稳定放电阶段；

(3)可在较高气压条件下工作，大大拓宽工作参数范围；

(4)不使用直流外施磁场装置，成本降低，更适合工程应用的需求。

附图说明

图1是本发明所述一种基于电流驱动技术反场位形结构的高密度等离子体射流发生装置的结构示意图；

图2是图1中小端法兰盖的左视图；

图3是图2的A-A剖视图；

图4是图1中大端法兰盖的右视图；

图5是图4的B-B剖视图；

图6是本发明所得等离子体射流直径与射流长度关系曲线；

图7是本发明所得射流等离子体密度空间分布曲线。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明主体分为等离子体产生区与等离子体加速区两个部分。

参见图1，等离子体产生区由3组马鞍线圈5和4组电离线圈7构建形成；工作气体被电离线圈7击穿生成种子电子，3组(共6根)马鞍线圈5缠绕在石英腔体1的首端区域，利用线圈的缠绕形成旋转磁场，从而约束产生大面积高密度等离子体。石英腔体1尾端区域采用2组对称的加速线圈6对所产生的等离子体进行加速。

本发明的石英腔体1为圆台型，圆台型石英管的设计方案是利用在轴向方向上，所产生的等离子体具有梯度差，从而使等离子体在轴向方向上产生梯度压力，可以使等离子体更好的被引出形成等离子体射流。

石英腔体1左右两端分别设置两个快接法兰，小端口法兰2参见图2、图3所示，中心设置进气口204，用于通入工作气体；法兰内端面设置小端圆环凹槽203，用于与石英腔体1的小端口插接固定；最外圆设置4个小端螺栓孔201，大端口法兰3上相应的设置4个大端螺栓孔301，用于共同安装长杆螺栓4；在一圈小端螺栓孔201和小端圆环凹槽203之间设置有3对线圈安装孔202，用于放置马鞍线圈5的进线端与出线端，3组孔位位于等边三角形的三个顶点区域；3组马鞍线圈5缠绕在圆台型石英腔体1首端外部(等离子体产生区)。

大端口法兰3参见图4、图5所示，大端口法兰3内端面设置有大端圆环凹槽303，用于与石英腔体1的大端口插接固定；大端圆环凹槽303以里的大孔为等离子体喷射口304，石英腔体1通过等离子体喷射口304与真空腔气室连通；大端圆环凹槽303和大端螺栓孔301之间设置12个安装孔302，用于石英腔体1与真空腔气室固定连接，连接端采用无氧铜圈与12根螺栓密封，以保证气室内的真空度；放电装置的真空度由大型真空腔室与波纹管连接，由相应的真空系统进行抽取。

圆台型石英腔室前后两端分别与两个环形凹槽连接，封口处采用torr seal真空密封胶进行粘接，以保证石英腔体1内的真空度。

用于产生旋转磁场的3组马鞍线圈，其相互间角度呈120度。其线圈直径由驱动电源频率所决定，在本实施方式中，马鞍线圈5外接驱动频率为200kHz，每组马鞍线圈5所需要产生的磁场约为12μH才能产生闭合旋转磁场位形，因此在本实施方式中马鞍线圈5的缠绕直径应不小于17cm。

本实施方式放电装置的具体工作过程为：工作气体通过左端盖进气口204喷入真空的石英腔体1内，在可调射频电源作用下，使电离线圈7内部的工作气体被击穿，从而产生大面积，具有高密度的种子电子；当放电达到均匀稳定模式后开启外侧3组马鞍线圈5，马鞍线圈5外接功率源。根据法拉第电磁感应定律可知，交变的电场可产生时变的磁场，当3组马鞍线圈5按照120度相位摆放时且3组功率源具有同相位时，可在轴向端产生闭合旋转的磁力线；由磁冻结效应可以使电子在闭合旋转磁力线上旋转运动，防止感应电流的扩散从而进一步约束等离子体，使等离子体密度大大增加。同时等离子体发光强度剧烈增加，此时开启加速线圈6可使得高密度等离子体从旋转磁场中被拉伸出来进而得到高密度的等离子体射流。

下面给出一个具体实施例加以辅助说明。

实施例：放电装置的真空腔气室由小端法兰盖2和大端法兰盖3和圆台型石英腔体1共同组成，圆台型石英腔体1与小端法兰盖2连接外径为Φ＝150mm，与大端法兰盖3连接外径为Φ＝130mm，壁厚为d＝5mm，高为h＝300mm；小端法兰盖2与大端法兰盖3采用直径为Φ＝330mm、厚5mm的圆形304号不锈钢板制成；在小端法兰盖2与大端法兰盖3边缘20mm位置处均匀开4个直径为Φ＝8mm的圆孔，并利用长杆螺栓进行坚固；左端盖中心位置开一直径为Φ＝4mm的进气孔204安装气嘴用于进气；小端法兰盖2与石英腔体1连接端外围10mm位置处，开3组直径为Φ＝6mm的圆孔，用于马鞍线圈5进出线；大端法兰盖3距圆型凹槽20mm位置处均匀开12个Φ＝6mm的圆孔用于与真空腔气室进行连接；小端法兰盖2与大端法兰盖3中间放置4组外径为Φ＝320mm、内径为Φ＝280mm、厚度为20mm的圆环，圆环缠绕中空铜线作为电离线圈7；4组电离线圈7与小端法兰盖2、大端法兰盖3共同由长杆螺栓4固定；4组电离线圈7的位置可调；3组马鞍线圈5在第4组电离线圈下方缠绕，每组马鞍线圈5的进出线由一对线圈安装孔202；距离大端法兰盖3位置20mm处放置一正六面体架，套置在圆台型石英腔体1尾端外侧，用于固定及支撑加速线圈6；

放电装置中，电离线圈7外接频率为13.56MHz，0～2000W可调的射频功率源；马鞍线圈5外接200kHz高频交流源；加速线圈6外接直流电源；线圈间铜管外部覆盖一层热缩管进行匝间绝缘；线圈铜管内部水冷用于冷却。

图6和图7是根据本发明的一个实验结果，采用基于电流驱动技术反场位形结构的高密度等离子体射流发生装置可以产生大面积、高密度均匀的等离子体射流。本实验中，采用氩气作为工作气体，气体流量及工作气压通过质量流量计与闸板阀开合进行有效控制；在对各中空铜线圈通水冷后开启13.56MHz射频源，待放电模式稳定后开启200kHz交流源产生闭合旋转等离子体；然后开启直流电源给加速线圈6供电，使等离子体顺利被引出至加速区形成射流；等离子体密度由后端真空腔气室内的朗缪尔探针系统进行实时测量；等离子体射流长度由真空腔内部标尺进行测量；等离子体半径根据可见光图像处理技术获得。

图6与图7给出经由实验所测等离子体射流长度与直径关系、等离子体密度沿轴向位置分布曲线。可以看出：①采用本发明可以产生高达1.15×10¹³cm^-3的等离子体，与传统的低温等离子体源相比，密度更高；②所产生的等离子体射流其长度可达到60cm，大大增加了下游端工作区域范围；③在轴向上等离子体射流长度与直径变化趋势呈现近似线性下降，等离子体放电均匀性及稳定性良好。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种基于电流驱动技术反场位形结构的高密度等离子体射流发生装置，其特征在于，包括圆台型的石英腔体(1)；石英腔体(1)沿轴向分成两部分，靠近小端口的首端区域为等离子体产生区，靠近大端口的尾端区域为等离子体加速区；工作气体在等离子体产生区被击穿生成种子电子，所述种子电子在旋转磁场作用下生成高密度等离子体；所述等离子被拉伸至等离子体加速区进行加速形成等离子体射流，并向真空腔气室喷射。

2.根据权利要求1所述一种基于电流驱动技术反场位形结构的高密度等离子体射流发生装置，其特征在于，石英腔体(1)的小端口采用小端法兰盖(2)封堵，小端法兰盖(2)的中心设置有进气口(204)，用于向石英腔体(1)内通入工作气体；石英腔体(1)的大端口通过大端法兰盖(3)与真空腔气室连通；小端法兰盖(2)和大端法兰盖(3)之间通过四根长杆螺栓(4)固定连接。

3.根据权利要求2所述一种基于电流驱动技术反场位形结构的高密度等离子体射流发生装置，其特征在于，等离子体产生区由n组马鞍线圈(5)和m组电离线圈(7)产成的磁场构建而成；

m组电离线圈(7)缠绕固定在四根长杆螺栓(4)上、且与石英腔体(1)首端区域对应，m组电离线圈(7)用于对工作气体预电离生成种子电子；

小端法兰盖(2)沿圆周方向均布n对线圈安装孔(202)，用于n组马鞍线圈(5)的进线端和出线端的固定安装，n组马鞍线圈(5)缠绕在石英腔体(1)的首端区域的外部；n组马鞍线圈(5)用于产生旋转磁场，令种子电子在放电模式稳定后产生闭合旋转等离子体。

4.根据权利要求3所述一种基于电流驱动技术反场位形结构的高密度等离子体射流发生装置，其特征在于，等离子体加速区由两对正交的加速线圈(6)产生的磁场构建而成；两对正交的加速线圈(6)对称布置在石英腔体(1)尾端区域的外部，用于将等离子体拉伸至等离子体加速区进行加速形成等离子体射流。

5.根据权利要求4所述一种基于电流驱动技术反场位形结构的高密度等离子体射流发生装置，其特征在于，小端法兰盖(2)内端面设置有小端圆环凹槽(203)，用于与石英腔体(1)的小端口插接固定；大端法兰盖(3)内端面设置有大端圆环凹槽(303)，用于与石英腔体(1)的大端口插接固定，大端法兰盖(3)中间区域设置与真空腔气室连通的等离子体喷射口(304)，大端法兰盖(3)设置有一圈用于与真空腔气室固定连接的安装孔(302)；小端法兰盖(2)和大端法兰盖(3)对应设置用于固定长杆螺栓(4)的小端螺栓孔(201)和大端螺栓孔(301)。

6.根据权利要求5所述一种基于电流驱动技术反场位形结构的高密度等离子体射流发生装置，其特征在于，电离线圈(7)外接13.56MHz，功率为0～2000W可调射频功率源；马鞍线圈(5)外接200kHz的高频交流电源；加速线圈6外接直流电源。

7.根据权利要求3所述一种基于电流驱动技术反场位形的高密度等离子体射流发生装置，其特征在于，n＝3，小端法兰盖(2)沿圆周方向均布3对线圈安装孔(202)，每组马鞍线圈(5)的进线端和出线端固定在一对线圈安装孔(202)，3组马鞍线圈(5)通入的交流电源相位依次滞后120度电角度。

8.根据权利要求6所述一种基于电流驱动技术反场位形结构的高密度等离子体射流发生装置，其特征在于，马鞍线圈(5)、加速线圈(6)、电离线圈(7)的线圈间铜管外部覆盖一层热缩管进行匝间绝缘；线圈间铜管内部充入冷水用于线圈冷却。