CN110913558A - 一种临近空间气压条件下高效射频等离子体放电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种临近空间气压条件下高效射频等离子体放电装置，包括石英管、一号螺旋电感天线、二号螺旋电感天线、阻抗匹配器和等离子体源，石英管的两端开口，石英管的一端与气源相接，石英管的另一端与真空泵相接，所述等离子体源与阻抗匹配器相连，阻抗匹配器设置于一号螺旋电感天线和二号螺旋电感天线相连的电路上，在阻抗匹配器与一号螺旋电感天线之间的电路上设有示波器；一号螺旋电感天线和二号螺旋电感天线分别以感性耦合方式螺旋缠绕在石英管上，所述一号螺旋电感天线和二号螺旋电感天线之间以容性耦合方式阻断，形成等离子体射流。本发明所述射频等离子体放电装置，在现有电源参数水平条件下，该天线可在0‑2500Pa稳定放电，电离效率高。

Description

一种临近空间气压条件下高效射频等离子体放电装置
技术领域
本发明属于放电装置技术领域，特别是涉及一种临近空间气压条件下高效射频等离子体放电装置。
背景技术
随着等离子体工业的不断发展，其在材料处理、集成电路、微机械加工、等离子体推进等方面应用前景极为广泛。现有的放电方式有电容性耦合、电感性耦合和螺旋波放电。但以上方法在射频条件下放电时气压均需低于1Toor(133.3Pa)，在更高气压条件下无法实现稳定放电。
为此，有人申请了一份具备复合天线线圈组的等离子体反应装置，其申请日为2006年7月6日，申请号为200680025252.3，其具体公开了一种具备复合天线线圈组的等离子体反应装置。这种等离子体反应装置包括:反应室,其上部设置有圆柱状介电窗,且通过等离子体反应来处理晶片；复合天线线圈组,其设置于所述介电窗的外部及上部,用于产生射频磁场(RF MAGNETIC FIELD),且通过所述介电窗向所述反应室内施加射频磁场,藉以诱导射频电场(RF ELECTRICFIELD)；射频电源供给单元,其用于向所述反应室下部(放置晶片的支架)及复合天线线圈组供给射频电源(RADIO FREQUENCY),以使反应室下部(WAFER ANDPEDESTAL)保持负电位带电状态,并使所述复合天线线圈组产生时变的磁场。该反应装置采用复合天线线圈的方式来实现，虽然能够达到提高等离子体的离子密度和离子均匀度的目的，但是并不能够解决在高于1Toor(133.3Pa)气压条件下的稳定放电。
为此本人于2018年3月23日申请了一份阻断式感容耦合螺旋等离子体天线装置的发明专利，其申请号为201810242900.5，在该申请中公开了以下内容：一种可在宽气压范围内获得稳定等离子体射流的等离子体天线装置，该天线由绕设在石英管上的两个螺旋电感天线构成，其中螺旋电感天线1与射频电源阳极相接，螺旋电感天线2接地。将两段天线隔开一定距离，天线有空气阻断，以电容的方式形成轴向电压降加速等离子体获得高速射流。该发明结构简单，紧凑，将等离子体的电离和加速结合在一起，电离效率高，并可在150Pa到2500Pa气压范围内实现稳定的电离。为实现不同气压条件下射频等离子体电离提供了技术保证，应用范围广泛。在该申请中公开了两段天线隔开一定距离，但并没有具体说明如何达到上述有益效果。
因此，如何解决上述现有技术存在的缺陷成为了该领域技术人员努力的方向。
发明内容
本发明的目的就是：在本人于2018年3月23日申请了的阻断式感容耦合螺旋等离子体天线装置的发明专利的基础上进一步的改进，提供一种临近空间气压条件下高效射频等离子体放电装置，能完全解决上述现有技术的不足之处。
本发明的目的通过下述技术方案来实现：一种临近空间气压条件下高效射频等离子体放电装置，包括石英管、一号螺旋电感天线、二号螺旋电感天线和等离子体源，石英管的两端开口，石英管的一端与气源相接，石英管的另一端与真空泵相接，其特征在于：还包括阻抗匹配器，所述等离子体源与阻抗匹配器相连，阻抗匹配器设置于一号螺旋电感天线和二号螺旋电感天线相连的电路上，在阻抗匹配器与一号螺旋电感天线之间的电路上设有示波器；在一号螺旋电感天线和二号螺旋电感天线之间设有摄像装置，所述摄像装置和示波器构成诊断系统；一号螺旋电感天线和二号螺旋电感天线分别以感性耦合方式螺旋缠绕在石英管上，所述一号螺旋电感天线和二号螺旋电感天线之间以容性耦合方式阻断，形成等离子体射流。
作为优选方式之一，在石英管与气源之间设有真空计。
作为优选方式之一，石英管、真空计、真空泵和气源组成真空系统。
作为优选方式之一，一号螺旋电感天线和二号螺旋电感天线的天线均为中空紫铜管。
作为优选方式之一，工作气体为氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)中的任一一种。
实施时：首先从大气压逐步降低气压，发现当气压低于1500Pa时开始形成等离子体射流，气压越低获得的等离子体亮度越高，即等离子体密度和温度越大；接着逐步恢复气压至大气压，发现该等离子体射流在2500Pa左右消失，即在现有电源参数水平条件下，该天线可在0-2500Pa稳定放电。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明所述临近空间气压条件下高效射频等离子体放电装置，在现有电源参数水平条件下，该天线可在0-2500Pa稳定放电，电离效率高。
附图说明
图1是本发明射频等离子体放电装置的结构示意图。
附图中：石英管1，一号螺旋电感天线2，二号螺旋电感天线3，真空泵4，真空计5，气源6，摄像装置7，阻抗匹配器8，等离子体源9，示波器10。
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。
实施例1：
如图1所示，一种临近空间气压条件下高效射频等离子体放电装置，包括石英管1、一号螺旋电感天线2、二号螺旋电感天线3、阻抗匹配器8和等离子体源9，石英管1的两端开口，石英管1的一端与气源6相接，石英管1的另一端与真空泵4相接。
在本实施例中：
1.石英管的材料为石英，其作用是作为放电室电离等离子体。
2.一号螺旋电感天线和二号螺旋电感天线的天线均为中空紫铜管，其作用是传递功率，通过电感方式产生等离子体。
3.阻抗匹配器是指在能量传输时，要求负载阻抗要和传输线的特征阻抗相等，此时的传输不会产生反射，这表明所有能量都被负载吸收了。在本实施例中，阻抗匹配器用于传输线上，达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的，不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。反之则在传输中有能量损失。高速PCB布线时，为了防止信号的反射，要求是线路的阻抗为50欧姆。
4.等离子体源的作用是向外输出射频功率。
5.真空泵为气体传输泵，用来改善、产生和维持真空，并且维持密封空间所需的压强。
6.气源提供工作气体，在本实施例中工作气体为氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)中的任一一种。
所述等离子体源9与阻抗匹配器8相连，阻抗匹配器8设置于一号螺旋电感天线2和二号螺旋电感天线3相连的电路上，在阻抗匹配器8与一号螺旋电感天线2之间的电路上设有示波器10；在一号螺旋电感天线2和二号螺旋电感天线3之间设有摄像装置7，所述摄像装置7和示波器10构成诊断系统；一号螺旋电感天线2和二号螺旋电感天线3分别以感性耦合方式螺旋缠绕在石英管1上，所述一号螺旋电感天线2和二号螺旋电感天线3之间以容性耦合方式阻断，形成等离子体射流。等离子体射流的工作气压为150Pa-2500Pa。
在石英管1与气源6之间设有真空计5。石英管1、真空计5、真空泵4和气源6组成真空系统，真空系统的真空计量程为0-2500Pa。
在本实施例的：将等离子体源与阻抗匹配器相连，将射频功率加载在天线上，气体经由真空计进入石英管内，在天线的激发下把工作介质电离为等离子体并加速形成等离子体射流，使用真空泵维持石英管内压强。实验中先采用氩气验证放电可行性，再针对临近空间环境，以空气为工作介质，获得较高气压下的等离子体射流。
本实施例的放电原理为：感容耦合放电是一种E模式和H模式的结合，在放电开始时，接地电极与射频输入端之间存在一个极高的电压降，此时首先以E模式放电形成低密度的等离子体。与此同时，两个螺旋线圈中的射频电流感应出变化的磁场，根据法拉第电磁感应定律，交变的磁场又产生环向电场，进一步电离形成高密度等离子体。在起辉后，石英管中的电子被电场加速，使放电气体被击穿，产生并维持高密度等离子体，即H模式。两段螺线管所形成的磁镜，也起到轴向约束等离子体的作用，加大了其间的电离效能，因此中间区域的等离子体亮度明显高于其他区域。与容性耦合和感性耦合不同的是，在感容耦合放电中，由电压降导致的轴向射频电场与由交变磁场感应出的角方向的电场同时存在。相较于容性耦合，能产生更高密度的等离子体；与感性耦合相比，解决了纯感性放电在初始阶段难以起辉的问题，同时也无需基片和辅助电源。实施时：首先从大气压逐步降低气压，发现当气压低于1500Pa时开始形成等离子体射流，气压越低获得的等离子体亮度越高，即等离子体密度和温度越大；接着逐步恢复气压至大气压，发现该等离子体射流在2500Pa左右消失，即在现有电源参数水平条件下，该天线可在0-2500Pa稳定放电。
不同于现有的容性耦合天线及感性耦合天线，本实施例独创性地将这两种经典耦合方式结合，提出感性-容性阻断交互式技术方案——感容耦合等离子体天线。将两根线圈以感性耦合方式螺旋缠绕在石英管上，两段之间再以容性耦合方式阻断，形成等离子体射流。根据之前的研究工作，容性耦合射频等离子体维持放电时气压需限制在0-133Pa，而感性耦合方式对气压的要求则更为严格。在实验中，相同的实验条件下，这两种经典的耦合方式均未能在气压大于150Pa时进行放电。而感容耦合等离子体天线能产生稳定的等离子体射流。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种临近空间气压条件下高效射频等离子体放电装置，包括石英管、一号螺旋电感天线、二号螺旋电感天线和等离子体源，石英管的两端开口，石英管的一端与气源相接，石英管的另一端与真空泵相接，其特征在于：还包括阻抗匹配器，所述等离子体源与阻抗匹配器相连，阻抗匹配器设置于一号螺旋电感天线和二号螺旋电感天线相连的电路上，在阻抗匹配器与一号螺旋电感天线之间的电路上设有示波器；在一号螺旋电感天线和二号螺旋电感天线之间设有摄像装置，所述摄像装置和示波器构成诊断系统；一号螺旋电感天线和二号螺旋电感天线分别以感性耦合方式螺旋缠绕在石英管上，所述一号螺旋电感天线和二号螺旋电感天线之间以容性耦合方式阻断，形成等离子体射流。
2.根据权利要求1所述的临近空间气压条件下高效射频等离子体放电装置，其特征在于：在石英管与气源之间设有真空计。
3.根据权利要求2所述的临近空间气压条件下高效射频等离子体放电装置，其特征在于：石英管、真空计、真空泵和气源组成真空系统。
4.根据权利要求1所述的临近空间气压条件下高效射频等离子体放电装置，其特征在于：一号螺旋电感天线和二号螺旋电感天线的天线均为中空紫铜管。
5.根据权利要求1所述的临近空间气压条件下高效射频等离子体放电装置，其特征在于：等离子体射流的工作气压为150Pa-2500Pa，工作气体为氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)中的任一一种。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111997853A (zh) * 2020-06-05 2020-11-27 中国科学院合肥物质科学研究院 一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器
CN112888132A (zh) * 2020-12-11 2021-06-01 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 一种串列式双线圈射频驱动气体放电装置
CN113173266A (zh) * 2021-04-16 2021-07-27 中国科学院合肥物质科学研究院 一种无运动部件的等离子体矢量推进器

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001057502A (ja) * 1999-08-17 2001-02-27 Fujitsu Ltd 素子長検出器、整合回路および無線端末装置
CN1455441A (zh) * 2002-03-26 2003-11-12 索尼公司 制造非晶金属氧化物膜的方法以及制造具有非晶金属氧化物膜的电容元件和半导体器件的方法
KR100611033B1 (ko) * 2004-08-10 2006-08-10 주식회사 뉴파워 프라즈마 코일 안테나를 갖는 형광 램프 및 이를 이용한 면광원 장치
CN101218859A (zh) * 2005-07-19 2008-07-09 显示器生产服务株式会社 具备复合天线线圈组的等离子体反应装置
CN106470522A (zh) * 2016-09-07 2017-03-01 电子科技大学 一种放电条纹自适应的等离子体射频电源装置
CN206136437U (zh) * 2016-10-24 2017-04-26 大连理工大学 一种细长管射频感应耦合等离子体源反应器
CN108631047A (zh) * 2018-03-23 2018-10-09 四川大学 阻断式感容耦合螺旋等离子体天线
CN109950895A (zh) * 2017-11-30 2019-06-28 康姆艾德科技韩国有限公司 Rf电力分配装置及rf电力分配方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001057502A (ja) * 1999-08-17 2001-02-27 Fujitsu Ltd 素子長検出器、整合回路および無線端末装置
CN1455441A (zh) * 2002-03-26 2003-11-12 索尼公司 制造非晶金属氧化物膜的方法以及制造具有非晶金属氧化物膜的电容元件和半导体器件的方法
KR100611033B1 (ko) * 2004-08-10 2006-08-10 주식회사 뉴파워 프라즈마 코일 안테나를 갖는 형광 램프 및 이를 이용한 면광원 장치
CN101218859A (zh) * 2005-07-19 2008-07-09 显示器生产服务株式会社 具备复合天线线圈组的等离子体反应装置
CN106470522A (zh) * 2016-09-07 2017-03-01 电子科技大学 一种放电条纹自适应的等离子体射频电源装置
CN206136437U (zh) * 2016-10-24 2017-04-26 大连理工大学 一种细长管射频感应耦合等离子体源反应器
CN109950895A (zh) * 2017-11-30 2019-06-28 康姆艾德科技韩国有限公司 Rf电力分配装置及rf电力分配方法
CN108631047A (zh) * 2018-03-23 2018-10-09 四川大学 阻断式感容耦合螺旋等离子体天线

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111997853A (zh) * 2020-06-05 2020-11-27 中国科学院合肥物质科学研究院 一种临近空间环境吸气式射频等离子体推进器
CN112888132A (zh) * 2020-12-11 2021-06-01 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 一种串列式双线圈射频驱动气体放电装置
CN113173266A (zh) * 2021-04-16 2021-07-27 中国科学院合肥物质科学研究院 一种无运动部件的等离子体矢量推进器
CN113173266B (zh) * 2021-04-16 2024-04-09 中国科学院合肥物质科学研究院 一种无运动部件的等离子体矢量推进器

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