CN111492720B - 等离子体产生装置 - Google Patents

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Abstract

本技术提供了一种等离子体产生装置(100)，该等离子体产生装置使缝(111)产生较强的电场。波导(110)具有面对波导(110)的内部的第一导体表面(S1)、面对波导(110)的内部的第二导体表面(S2)以及从第一导体表面(S1)穿透至波导(110)的外部的缝(111)。第一导体表面(S1)和第二导体表面(S2)电连接在一起并且相对布置。在垂直于z方向的截面中第一导体表面(S1)沿y方向的第一长度(L1)小于在垂直于z方向的截面中第二导体表面(S2)沿y方向的第二长度(L2)。第一长度(L1)包括在垂直于z方向的截面中缝(111)沿y方向的长度。第二长度(L2)小于沿x方向第一导体表面(S1)与第二导体表面(S2)之间的距离。

Description

等离子体产生装置
技术领域
本说明书的技术领域涉及通过使用微波来产生等离子体的等离子体产生装置。
背景技术
等离子体技术已经应用于电学、化学和材料领域。等离子体产生具有高化学反应活性的自由基和紫外线以及电子和阳离子。自由基被用于例如半导体的蚀刻和膜形成。紫外线被用于例如灭菌。源自等离子体的这样的大量物质扩大了等离子体技术实行的领域范围。
存在一种微波被用于产生等离子体的装置。例如，专利文献1公开了一种等离子体产生装置，在该等离子体产生装置中微波从微波产生单元传输至波导，并且等离子体从设置在波导中的缝(缝隙状通孔)产生(参见专利文献1的图1、图4等)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本公开特许公报(特开)第2014-175051号
发明内容
本发明要解决的问题
在专利文献1的技术中，从缝喷射等离子体。然而，在缝处产生的电场不一定是大的。为了产生稳定的等离子体，必须在缝处产生更大的电场。
已经完成了本说明书的技术以便解决上述传统技术的问题。即，其目的是提供一种等离子体产生装置，该等离子体产生装置通过将微波传输至波导中而从波导的缝处产生等离子体，并且在该等离子体产生装置中在该缝处产生更强的电场。
解决问题的手段
根据第一方面的等离子体产生装置包括：波导，其在xyz直角坐标系中的z方向上延伸；以及微波产生单元，其用于产生在z方向上传播通过波导的微波。波导具有面向波导的内部的第一导体表面、面向波导的内部的第二导体表面以及从第一导体表面延伸至波导的外部的缝。第一导体表面和第二导体表面彼此电连通并且彼此面对。作为在垂直于z方向的截面中第一导体表面的y方向上的长度的第一长度小于作为在垂直于z方向的截面中第二导体表面的y方向上的长度的第二长度。第一长度包括在垂直于z方向的截面中缝的y方向上的长度。第二长度小于在x方向上第一导体表面与第二导体表面之间的距离。
在该等离子体产生装置中，第一长度小于第二长度。因此，当微波传播通过波导时，在缝(缝隙状通孔)的位置处形成强电场。此外，由于从缝喷射气体，所以在缝的外部产生等离子体。等离子体在沿缝的长形区域中产生。
发明效果
在本说明书中，提供了一种等离子体产生装置，该等离子体产生装置通过将微波传输至波导中而从波导的缝处产生等离子体，并且在该等离子体产生装置中在该缝处产生更强的电场。
附图说明
[图1]是第一实施方式的等离子体产生装置的示意图。
[图2]是示出了第一实施方式的等离子体产生装置的波导的截面的截面图。
[图3]是示出了第一实施方式的等离子体产生装置的波导的等离子体产生区域的视图。
[图4]是根据第一实施方式的修改的等离子体产生装置的示意图。
[图5]是示出了第二实施方式的第一波导的截面形状的截面图。
[图6]是示出了第二实施方式的第二波导的截面形状的截面图。
[图7]是示出了第二实施方式的第三波导的截面形状的截面图。
[图8]是示出了第二实施方式的第四波导的截面形状的截面图。
[图9]是示出了第二实施方式的第五波导的截面形状的截面图。
[图10]是示出了第二实施方式的第六波导的截面形状的截面图。
[图11]是示出了第二实施方式的第七波导的截面形状的截面图。
[图12]是示出了第三实施方式的波导的结构的透明透视图。
[图13]是示出了第四实施方式的等离子体产生装置的波导的截面的截面图。
[图14]是用于描述用于仿真的矩形波导的形状的视图。
[图15]是示出了在矩形波导中缝内的电场强度与缝在x轴方向的位置之间的关系的图表。
[图16]是用于描述用于仿真的波导的形状的视图。
[图17]是示出了在具有金属构件的波导中电场强度与缝在x轴方向上的位置之间的关系的图表。
[图18]是示出了波导的宽度与金属构件的宽度之间的关系的第一图表。
[图19]是示出了波导的宽度与金属构件的宽度之间的关系的第二图表。
[图20]是示意性地示出了在微波通过波导传播期间在波导内部形成的电场和磁场的图示。
[图21]是示出了当形成图20中所示的电场和磁场时沿波导的内表面流动的电流的方向的图示。
[图22]是示出了在第一实施方式的等离子体产生装置和在常规等离子体产生装置中微波的功率与在缝处形成的电场的强度之间的关系的图表。
[图23]是示出了第一实施方式的等离子体产生装置的波导内的电场强度的仿真结果。
[图24]是示出了仅配备金属构件的波导的散射参数的图表。
[图25]是示出了在具有带有附加部的金属构件的波导和普通波导被连接的情况下的散射参数的图表。
[图26]是示出了由等离子体产生装置产生的等离子体的照片和示出了等离子体的发射强度的图表的第一组合。
[图27]是示出了由等离子体产生装置产生的等离子体的照片和示出了等离子体的发射强度的图表的第二组合。
具体实施方式
现在将参照附图描述具体实施方式，其中通过使用微波产生等离子体的等离子体产生装置被用作示例。为了便于描述，使用了xyz直角坐标系。因此，波导的延伸方向将被称为z方向(参见稍后将描述的图14和图16)。
(第一实施方式)
1.等离子体产生装置
图1是第一实施方式的等离子体产生装置100的示意图。等离子体产生装置100通过使用微波所传播通过的波导来产生等离子体。等离子体产生装置100包括波导110、微波产生单元120、隔离器130、功率监测器140、EH调谐器150、终端单元160、连接波导171、172、173、174和175、压力窗波导181和182、以及气体供应单元190。
波导110、连接波导171、172、173和174以及压力窗波导181和182中的每个都是矩形波导。波导110、连接波导171、172、173和174以及压力窗波导181和182共享共同的中心轴。
波导110在z方向上延伸。波导110具有缝111。缝111是设置在波导110中的缝隙状通孔。在缝111处产生等离子体，如稍后将详细描述的。波导110的垂直于中心轴的截面的较长边具有例如96mm的长度。波导110的垂直于中心轴的截面的较短边具有例如27mm的长度。优选地，波导110的材料是金属(例如，铜、铝、铁或不锈钢)或这些金属材料的合金。
微波产生单元120产生传播通过波导110的微波。微波在z方向上传播通过波导110。微波是例如正弦波或矩形波。优选地，微波以TE10模式传输。微波产生单元120是例如磁控管、速调管、回旋管或行波管。由微波产生单元120产生的微波的频率是例如2.45GHz。不用说，频率可以与2.45GHz不同。这些仅是示例，并且微波产生单元120的配置可以不同于上述配置。
隔离器130防止微波的反射波进入微波产生单元120。隔离器130将从微波产生单元120传输的微波朝向波导110传输，并且使微波不从波导110朝向微波产生单元120传播。因此，可以防止来自波导110等的微波的反射波进入微波产生单元120。
功率监测器140测量传输至波导110的微波的功率。功率监测器140还可以测量来自波导110的反射波。
EH调谐器150包括E调谐器部分和H调谐器部分。EH调谐器150通过将各个活塞(plunger)从E调谐器部分和H调谐器部分移入和移出来执行阻抗调节。
终端单元160是用于吸收微波的构件。传播通过波导110的微波在缝111的区域上方产生等离子体。因此，到达终端单元160的微波的强度足够低。在某些情况下，终端单元160可以反射微波的一部分。
连接波导171、172、173和174中的每个是普通的矩形波导。优选地，连接波导171、172、173和174的材料是金属(例如，铜、铝、铁或不锈钢)或这些金属材料的合金。
压力窗波导181和182是位于波导110的相对端处的分隔件。因此，压力窗波导181和182被布置在波导110的相对侧上。
气体供应单元190将气体供应至波导110。从气体供应单元190供应的气体当从缝111喷射时被转换成等离子体。从气体供应单元190供应的气体是例如诸如Ar或Ne的稀有气体。替选地，该气体可以是氮气或氧气。不用说，该气体可以是普通空气。替选地，该气体可以是这些气体的混合物。
2.波导的结构
图2是示出了第一实施方式的等离子体产生装置100的波导110的截面的截面图。图2示出了沿图1的线II-II截取的波导110的截面。如图2中所示，波导110具有第一壁部110a、第二壁部110b、第三壁部110c和第四壁部110d。第一壁部110a和第二壁部110b彼此面对并且在波导110的传输方向上延伸。第三壁部110c和第四壁部110d彼此面对并且在波导110的传输方向上延伸。第一壁部110a和第二壁部110b与波导110的垂直于传输方向的截面的较短边相对应。第三壁部110c和第四壁部110d与波导110的垂直于传输方向的截面的较长边相对应。第三壁部110c与第一壁部110a和第二壁部110b连续。第四壁部110d与第一壁部110a和第二壁部110b连续。
2-1.缝和金属构件
波导110的第一壁部110a具有缝111。缝111从稍后将描述的第一导体表面S1延伸至波导110的外部。缝111形成为使得缝111的纵向方向相对于波导110的传输方向的角度不是90°。优选地，缝111的纵向方向相对于波导110的传输方向的角度落在-5°至5°的范围内。更优选地，缝111的纵向方向平行于波导110的传输方向。波导110在缝111的位置处具有第一部Ela和第二部Elb。第一部Ela和第二部Elb通过介于其间的缝111彼此面对。
波导110具有与第一壁部110a和第三壁部110c相邻定位的金属构件112。金属构件112是具有长方体形状的第一金属构件。金属构件112与第一壁部110a和第三壁部110c接触。金属构件112的材料是金属(例如，铜、铝、铁或不锈钢)或这些金属材料的合金。优选地，金属构件112的材料与波导110的材料相同。不用说，金属构件112不封闭缝111。因此，缝111形成在第四壁部110d附近的位置处的第一壁部110a中。
2-2.导体表面之间的距离
第一壁部110a具有缝111和面向波导110的内部的第一导体表面S1。第二壁部110b具有面向波导110的内部的第二导体表面S2。第三壁部110c具有面向波导110的内部的第三导体表面S3。第四壁部110d具有面向波导110的内部的第四导体表面S4。第一导体表面S1是暴露于波导110的内部的表面。这也适用于其余导体表面。由于存在金属构件112，因此在波导110的垂直于传输方向的截面中，第一导体表面S1的长度比第二导体表面S2的长度小与金属构件112的高度相对应的量。
第一导体表面S1和第二导体表面S2是平行于yz平面的表面。第一导体表面S1和第二导体表面S2中的每个可以包含平行于yz平面的表面。第三导体表面S3和第四导体表面S4是平行于xz平面的表面。第三导体表面S3和第四导体表面S4中的每个可以包含平行于xz平面的表面。第一导体表面S1和第二导体表面S2彼此电连通并且彼此面对。第三导体表面S3和第四导体表面S4彼此电连通并且彼此面对。
第三导体表面S3与第二导体表面S2连续。由于存在金属构件112，因此波导110具有第一部分表面S3a和第二部分表面S3b。第一部分表面S3a和第二部分表面S3b是用于连接第一导体表面S1和第三导体表面S3的连接表面。第一部分表面S3a面对第四导体表面S4。第二部分表面S3b面对第二导体表面S2。第四导体表面S4与第一导体表面S1和第二导体表面S2连续。第一部分表面S3a、第二部分表面S3b和第三导体表面S3按此顺序从第一导体表面S1的侧面布置。
图2示出垂直于z方向的截面。垂直于z方向的截面中的第一导体表面S1的第一长度L1(在y方向上)小于垂直于z方向的截面中的第二导体表面S2的第二长度L2(在y方向上)。第一长度L1包括垂直于z方向的截面中的缝111的长度(在y方向上)。第二长度L2小于在x方向上的第一导体表面S1与第二导体表面S1之间的距离。
2-3.气体供应孔
波导110具有用于将气体供应至波导110的内部中的气体供应孔(未示出)。气体供应孔是用于将气体从气体供应单元190供应至波导110中的孔。通过气体供应孔供应的气体从缝111喷射。
3.等离子体产生区域
在波导110的第一部Ela与第二部Elb之间形成强电场。此外，气体从缝111朝着波导110的外部喷射。因此，气体被转换成等离子体。
图3是示出了波导110的等离子体产生区域P1的视图。如图3中所示，等离子体产生区域P1是沿着缝111延伸并且位于波导110的外侧上的笔直区域。在图3中，概念性地绘制了等离子体产生区域P1。因此，实际上，等离子体产生区域P1可以大于或小于图3中所示的区域。
4.缝处的电场强度
在本实施方式的等离子体产生装置100中，在缝111处的第一部Ela与第二部Elb之间产生了强电场。将描述对此的原因。
如图2中所示，在存在缝111的第一壁部110a的侧上的第一距离L1小于在第二壁部110b的侧上的第二距离L2。第一壁部110a的侧上的阻抗小于第二壁部110b的侧上的阻抗。即，第一壁部110a的侧上的电压小于第二壁部110b的侧上的电压。第一壁部110a的侧上的电流大于第二壁部110b的侧上的电流。如上所述，较大的表面电流在第一壁部110a的侧上流过波导110。
以下方程式是安培-麦克斯韦(Ampere-Maxwell)方程式。
Figure GDA0003616191320000071
在此，电流j表示在图3的箭头J1的方向上流动的表面电流的密度。如上所述，流到缝111的附近的表面电流大于流向第二壁部110b的表面电流。
在不存在缝111的区域中，电流j在图3的箭头J1的方向上流动。然而，当微波试图通过存在缝111的区域传播时，电流j突然被切断。方程式(1)的右侧上的第一项突然变为零。当右侧上的第一项突然变为零时，作为右侧上的第二项的
Figure GDA0003616191320000081
的值反而会急剧增加。因此，在波导110的第一部Ela与第二部Elb之间形成强电场。因此，可以有效地产生等离子体。
5.用于操作等离子体产生装置的方法
首先，气体供应单元190将气体供应至波导110。因此，从波导110的缝111喷射气体。接下来，微波产生单元120产生微波并且将微波朝向波导110传输。在波导110的缝111的位置处，在第一部Ela与第二部Elb之间形成强电场。因此，从缝111喷射的气体被转换成等离子体。即，在等离子体产生区域P1中产生等离子体。
6.本实施方式的效果
第一实施方式的波导110具有与第一壁部110a和第三壁部110c接触的金属构件112。第一壁部110a与波导110的垂直于中心轴的截面的较短边相对应。波导110的第一壁部110a具有缝111。缝111形成在第一壁部110a中。即，在与波导110的垂直于中心轴的截面的较短边对应且金属构件112与其接触的壁部上形成缝111。当微波被传输至波导110时，在缝111处的第一部Ela与第二部Elb之间形成非常强的电场。此外，由于从缝111喷射气体，因此在缝111的外侧上产生等离子体。在沿着缝的棒状长形区域中产生等离子体。
7.修改
7-1.装置配置
可以使用图4中所示的等离子体产生装置200。等离子体产生装置200包括循环器260和波导276来代替终端单元160。
替选地，代替终端单元160，可以提供用于利用等离子体来处理基板的反应室。
7.2波导的尺寸
波导110的垂直于传输方向的截面的较长边可以具有例如72.1mm的长度。波导110的垂直于传输方向的截面的较短边可以具有例如34mm的长度。波导110的截面形状的尺寸可以是与上述尺寸不同的尺寸。
7-3.阻抗匹配器
在本实施方式中，使用EH调谐器150。然而，代替EH调谐器150，可以使用其他阻抗匹配器中的任何一个。
7-4.等离子体产生装置的操作顺序
在该实施方式中，将气体从气体供应单元190供应至波导110，随后，将微波传输至波导110。然而，操作顺序可以相反。即，微波可以被传输至波导110，随后，可以将气体从气体供应单元190供应至波导110。
7-5.组合
可以自由地组合上述修改。
(第二实施方式)
将描述第二实施方式。第二实施方式的波导包括与第一实施方式的波导中使用的金属构件不同的金属构件。
1.金属构件的形状
1-1.第一形状
图5是示出了第二实施方式的(第一)波导210的截面形状的截面图。如图5中所示，波导210包括金属构件212。金属构件212是六面体。在波导210的垂直于中心轴的截面中，金属构件212的高度随着与第一壁部110a的距离增加而减小。即，第四壁部110d与金属构件212之间的距离随着与第一壁部110a的距离增加而增加。
第四导体表面S4与金属构件212的连接表面之间的距离随着与第一导体表面S1的距离增加而增加。连接表面是金属构件212的连接第一导体表面S1和第三导体表面S3的表面。
1-2.第二形状
图6是示出了第二实施方式的(第二)波导310的截面形状的截面图。如图6中所示，波导310包括金属构件312。金属构件312是六面体。在波导310的垂直于中心轴的截面中，金属构件312的宽度随着与第三壁部110c的距离增加而减小。即，第二壁部110b与金属构件312之间的距离随着与第三壁部110c的距离增加而增加。
第四导体表面S4与金属构件312的连接表面之间的距离随着与第一导体表面S1的距离增加而增加。连接表面是金属构件312的连接第一导体表面S1和第三导体表面S3的表面。
1-3.第三形状
图7是示出了第二实施方式的(第三)波导410的截面形状的截面图。如图7中所示，波导410包括金属构件412。金属构件412是五棱柱。在金属构件412中，与和第一壁部110a及第三壁部110c接触的角相对地对角定位的角被倒角。
第四导体表面S4与金属构件412的连接表面之间的距离随着与第一导体表面S1的距离增加而增加。连接表面是金属构件412的连接第一导体表面S1和第三导体表面S3的表面。
1-4.第四形状
图8是示出了第二实施方式的(第四)波导510的截面形状的截面图。如图8中所示，波导510包括金属构件512。金属构件512是三棱柱。在波导510的垂直于中心轴的截面中，金属构件512的高度随着与第一壁部110a的距离增加而减小。即，第四壁部110d与金属构件512之间的距离随着与第一壁部110a的距离增加而增加。在波导510的垂直于中心轴的截面中，金属构件512的宽度随着与第三壁部110c的距离增加而减小。即，第二壁部110b与金属构件512之间的距离随着与第三壁部110c的距离增加而增加。
第四导体表面S4与金属构件512的连接表面之间的距离随着与第一导体表面S1的距离增加而增加。连接表面是金属构件512的连接第一导体表面S1和第三导体表面S3的表面。
2.金属构件的布置
2-1.第一布置
图9是示出了第二实施方式的(第五)波导610的截面形状的截面图。如图9中所示，波导610包括第一金属构件612a和第二金属构件612b。第一金属构件612a与第一壁部110a和第三壁部110c接触。第二金属构件612b与第一壁部110a和第四壁部110d接触。在第一金属构件612a与第二金属构件612b之间形成小间隙。缝111被布置在确定的位置处，使得缝111不被第一金属构件612a和第二金属构件612b封闭。即，缝111设置在第一金属构件612a与第二金属构件612b之间的位置处的第一壁部110a中。
在这种情况下，第一金属构件612a的面向波导610的内部的表面是第一连接表面。第二金属构件612b的面向波导610的内部的表面是第二连接表面。第一连接表面建立缝111或第一导体表面与第三导体表面之间的连接。第二连接表面建立缝111或第一导体表面与第四导体表面之间的连接。
2-2.第二布置
图10是示出了第二实施方式的(第六)波导710的截面形状的截面图。如图10中所示，波导710包括金属构件712。金属构件712是长方体。金属构件712被布置在确定的位置处，使得金属构件712与第一壁部110a接触并且不与第二壁部110b、第三壁部110c和第四壁部110d中的任何一个接触。缝111在第一壁部110a中形成在确定的位置处，使得缝111不被金属构件712封闭。在图10中，第三壁部110c与金属构件712之间的距离等于第四壁部110d与金属构件712之间的距离。然而，第三壁部110c与金属构件712之间的距离以及第四壁部110d与金属构件712之间的距离可以彼此不同。缝111可以形成在靠近第三壁部110c的侧上的位置或靠近第四壁部110d的侧上的位置处。
图11是示出了第二实施方式的(第七)波导810的截面形状的截面图。如图11中所示，波导810具有形成在第一壁部110a中的两个缝111。
3.本实施方式的效果
即使在使用金属构件212、金属构件312、金属构件412、金属构件512、金属构件612a和612b或金属构件712的情况下，在缝111处的第一部Ela与第二部E1b之间的电场强度也足够大。
在使用上述金属构件的情况下，波导内的金属间距离在形成有缝111的第一壁部110a的侧上是小的，而在没有形成缝111的第二壁部110b的侧上是大的。
通过减小具有缝111的第一壁部110a的侧上的金属间距离，可以增加缝111处的电场强度。
4.修改
4-1.第二连接表面
代替第一连接表面，可以设置用于连接第一导体表面S1和第四导体表面S4的第二连接表面。
4-2.组合
第二实施方式及其修改可以与第一实施方式及其修改自由地组合。
(第三实施方式)
将描述第三实施方式。第三实施方式的波导具有与第一实施方式的波导的金属构件不同的金属构件。
1.金属构件的形状
图12是示出了第三实施方式的波导110的结构的透明透视图。如图12中所示，波导110包括金属构件812。金属构件812具有主体部812a和附加部812b。主体部812a和附加部812b中的每个都是长方体。主体部812a和附加部812b彼此成一体。附加部812b在平行于波导110的传输方向的方向上布置在与主体部812a相邻的位置处，使得附加部812b与主体部812a串联。
附加部812b的宽度a1与主体部812a的宽度a相同。附加部812b的高度b1小于主体部812a的高度b。附加部812b的长度c1小于主体部812a的长度。
2.金属构件的效果
附加部812b防止从微波产生单元120朝向波导110传输的微波朝向微波产生单元120反射。因此，在到达缝111的位置之前微波衰减的量是小的。此外，可以抑制朝向微波产生单元120的反射波。
3.修改
3-1.两个附加部
图12中所示的波导110具有对于主体部812a的一个附加部812b。然而，波导110可以具有两个附加部812b。在这样的情况下，一个附加部812b布置在主体部812a的一侧上，而另一附加部812b布置在主体部812a的另一侧上。这种配置有利地抑制了在主体部812a的相对端部处的反射波。
3-2.组合
第三实施方式及其修改可以与第一实施方式、第二实施方式及其修改自由地组合。
(第四实施方式)
将描述第四实施方式。
1.波导的形状
图13示出了第四实施方式的波导910。波导910的形状类似于矩形波导的形状。波导910具有第一壁部910a、第二壁部910b、第三壁部910c和第四壁部910d。第一壁部910a具有缝111。因此，第一壁部910a具有第一部Ela和第二部Elb。第一壁部910a和第二壁部910b彼此面对并且在波导910的传输方向上延伸。第三壁部910c和第四壁部910d彼此面对并且在波导910的传输方向上延伸。
第一壁部910a和第二壁部910b与波导910的垂直于传输方向的截面的较短边相对应。第四壁部910d与波导910的垂直于传输方向的截面的较长边相对应。第三壁部910c与第一壁部910a和第二壁部910b连续。第四壁部910d与第一壁部910a和第二壁部910b连续。
第一壁部910a具有面向波导910的内部的第一导体表面S1。第二壁部910b具有面向波导910的内部的第二导体表面S2。第三壁部910c具有面向波导910的内部的第三导体表面S3。第四壁部910d具有面向波导910的内部的第四导体表面S4。第一导体表面S1、第二导体表面S2、第三导体表面S3和第四导体表面S4与第一实施方式的第一导体表面S1、第二导体表面S2、第三导体表面S3和第四导体表面S4相同。
因此，如图13中所示，第一导体表面S1在垂直于z方向的截面中的第一长度L1(在y方向上)小于第二导体表面S2在垂直于z方向的截面中的第二长度L2(在y方向上)。
2.效果
设置在第四实施方式的波导910内的导体表面与设置在第一实施方式的波导110内的导体表面相同。表面电流流过各个导体表面。因此，包括导体表面的金属只要具有一定的厚度或更大的厚度即可。即使当使用第四实施方式的波导910时，与使用第一实施方式的波导110的情况一样，也可以在缝111处产生适当的等离子体。
3.修改
第四实施方式可以与第一实施方式、第二实施方式、第三实施方式及其修改一起自由地组合。
(实施方式的小结)
每个等离子体产生装置包括在图14的xyz直角坐标系中的z方向上延伸的波导以及用于产生在z方向上传播通过波导的微波的微波产生单元。波导具有面向波导的内部的第一导体表面、面向波导的内部的第二导体表面以及从第一导体表面延伸至波导的外部的缝。第一导体表面和第二导体表面彼此电连通并且彼此面对。第一导体表面在垂直于z方向的截面中的第一长度(在y方向上)小于第二导体表面在垂直于z方向的截面中的第二长度(在y方向上)。第一长度包括缝在垂直于z方向的截面中的长度(在y方向上)。第二长度小于在x方向上第一导体表面与第二导体表面之间的距离。第一导体表面和第二导体表面中的每个包含平行于yz平面的表面。替选地，第一导体表面和第二导体表面中的每个可以是平行于yz平面的表面。
该波导具有第三导体表面和第四导体表面，所述第三导体表面和第四导体表面面向波导的内部，与第二导体表面连续并且彼此面对。波导具有第一连接表面和第二连接表面中的至少一个。第三导体表面和第四导体表面中的每个均包含平行于xz平面的表面。第一连接表面建立缝或第一导体表面与第三导体表面之间的连接。第二连接表面建立缝或第一导体表面与第四导体表面之间的连接。
第一连接表面与第四导体表面之间的距离随着与第一导体表面的距离增加而增加(例如，图5至图8)。
第二连接表面与第三导体表面之间的距离随着与第一导体表面的距离增加而增加(例如，图5至图8)。
替选地，波导具有：第三导体表面和第四导体表面，所述第三导体表面和第四导体表面面向波导的内部，与第二导体表面连续并且彼此面对；第五导体表面，其面向波导的内部并且面对第三导体表面的一部分；以及第六导体表面，其面向波导的内部并且面对第四导体表面的一部分。第三导体表面和第四导体表面中的每个均包含平行于xz平面的表面。第五导体表面在x方向上的长度和第六导体表面在x方向上的长度小于第一导体表面与第二导体表面之间的距离(例如，图10和图11)。
替选地，波导具有：第三导体表面和第四导体表面，所述第三导体表面和第四导体表面面向波导的内部，与第二导体表面连续并且彼此面对；第五导体表面，其面向波导的内部并且与第一导体表面连续；以及第六导体表面，其面向波导的内部并且与第三导体表面连续。第六导体表面位于第三导体表面与第五导体表面之间。波导满足以下方程式：
0.24·A-3.6≤a≤0.56·A-8.4
其中，A是在波导的垂直于传输方向的截面中的第一导体表面与第二导体表面之间的距离，而a是在波导的垂直于传输方向的截面中第一导体表面与第六导体表面之间的距离(例如，图16)。
波导在z方向上与第五导体表面相邻的位置处具有第七导体表面。第七导体表面与第四导体表面之间的距离大于第五导体表面与第四导体表面之间的距离(例如，图12)。
缝形成为使得缝的纵向方向相对于波导的传输方向的角度不为90°。
(仿真)
1.矩形波导与其缝的位置之间的关系
图14是用于描述用于仿真的矩形波导的形状的视图。x轴与矩形波导的垂直于其中心轴的截面中的较长边的方向相对应。y轴与矩形波导的垂直于其中心轴的截面中的较短边的方向相对应。z轴与平行于矩形波导的中心轴的方向相对应。微波传播通过矩形波导，同时被矩形波导的内壁反射。缝的较长边的方向平行于z轴。
将描述缝的位置。如图14中所示，对缝设置在较长边上的情况(图14的K1)和缝设置在较短边上的情况(图14的K2)进行了仿真。缝在较长边的方向(z轴方向)上的长度是30mm。缝在较短边的方向上的长度是1mm。矩形波导的壁厚度是1mm。输入功率是1W。微波的频率是2.45GHz。
图15是示出了x轴方向上的位置与缝内的电场强度的关系的图表。图15的横轴表示缝在x轴方向上的位置(mm)。图15的纵轴表示缝内的电场强度。即，表示第一部Ela与第二部Elb之间的电场强度。图15的K1示出了在由图14中的K1所示的表面(在下文中被称为K1表面)上设置缝的情况。图15的K2示出了在由图14中的K2所示的表面(在下文中被称为K2表面)上设置缝的情况。微波以TE10模式传播通过波导。因此，电场强度是恒定的，而不管缝在图14的K2表面上的位置。
如图15中所示，设置在图14的K1表面上的缝内的电场强度在缝位于较长边的中央附近时是弱的，而在缝位于较长边的任一端附近时是强的。缝内的电场强度在缝位于较长边的相对端之一处时变为最大值。
此外，如图15中所示，在将缝设置在较短边上的情况下的缝内的电场强度比在将缝设置在较长边上的情况下的缝内的电场强度大。如上所述，当缝设置在较短边上时，电场强度是恒定的，而不管位置。因此，与在较长边上设置缝相比，更优选在较短边上设置缝。这是因为可以在缝内获得较高的电场强度。
2.金属构件
接下来，将描述在具有金属构件的第一实施方式的波导110上执行的仿真的结果。
2-1.金属构件和电场强度
图16是用于描述用于仿真的波导的形状的视图。x轴与在波导的垂直于其中心轴的截面中的较长边的方向相对应。y轴与在波导的垂直于其中心轴的截面中的较短边的方向相对应。z轴与平行于波导的中心轴的方向相对应。
较长边的方向上的长度A是96mm。较短边的方向上的长度B是27mm。金属构件112在较长边的方向上的长度a是32mm。金属构件112在较短边的方向上的长度b是22mm。缝在较长边的方向(z轴方向)上的长度是30mm。缝在较短边的方向上的长度是1mm。矩形波导的壁厚度是1mm。输入功率是1W。微波的频率是2.45GHz。
图17是示出了在具有金属构件的波导中电场强度与缝在x轴方向上的位置之间的关系的图表。图17的横轴表示缝在x轴方向上的位置(mm)。图17的纵轴表示波导中的电场强度(kV/m)。如图16中所示，金属构件112在xy平面上布置在(64≤x≤96，0≤y≤22)的区域中。
在这种情况下，由于金属构件112的存在，在x≥60mm的区域中电场强度变得非常强。在存在金属构件112的情况下，在x＝96mm的位置处的电场强度约为2.5kV/m。在不存在金属构件112的情况下，在x＝96mm的位置处的电场强度约为0.8kV/m。因此，由于金属构件112的存在，在x＝96mm的位置处的电场强度变为3.1倍。
2-2.波导的宽度与金属构件的宽度之间的关系
将描述波导的宽度A和金属构件112的宽度a的关系。波导的宽度A是在波导的垂直于传输方向的截面中的第一导体表面与第二导体表面之间的距离。金属构件112的宽度a是在波导的垂直于传输方向的截面中金属构件112在较长边的方向上的宽度。波导的高度B为27mm。输入功率为1W。微波的频率为2.45GHz。
图18是示出了波导的宽度A与金属构件112的宽度a之间的关系的第一图表。图18的横轴表示波导的宽度A(mm)。图18的纵轴表示用于实现针对波导的宽度A(mm)的最大电流密度的金属构件112的宽度a(mm)。用于实现最大电流密度的金属构件112的宽度a(mm)是指在绘制以示出在宽度A为固定的情况下宽度a与电流密度之间的关系的图表中电流密度变为最大的金属构件112的宽度a(mm)。对于金属构件112的高度b为22mm的情况和金属构件112的高度b为13.5mm的情况，绘制了宽度A与宽度a之间的关系。
如图18中所示，用于实现针对波导的宽度A(mm)的最大电流密度的金属构件112的宽度a(mm)不取决于金属构件112的高度b。
接下来，将描述在固定波导的高度B和金属构件112的宽度b并且改变微波的频率的情况下执行的仿真的结果。
图19是示出了波导的宽度A与金属构件112的宽度a之间的关系的第二图表。图19的横轴表示波导的宽度A(mm)。图19的纵轴表示用于实现针对波导的宽度A(mm)的最大电流密度的金属构件112的宽度a(mm)。对于微波的频率为2.0GHz的情况、微波的频率为2.45GHz的情况以及微波的频率为3.0GHz的情况，绘制了宽度A与宽度a之间的关系。
如图19中所示，用于实现针对波导的宽度A(mm)的最大电流密度的金属构件112的宽度a(mm)不取决于微波的频率。
用于实现针对波导的宽度A(mm)的最大电流密度的金属构件112的宽度a(mm)由以下方程式表示。
a＝0.4·A-6………(2)
方程式(2)表示用于近似如下点的直线，所述点表示用于实现针对波导的宽度A(mm)的最大电流密度的金属构件112的宽度a(mm)。即，当满足方程式(2)时，在缝111处的第一部Ela与第二部Elb之间的电场强度变为最大。
实际上，波导的宽度A与金属构件112的宽度a之间的关系可以在与方程式(2)的±40％偏差的范围内。以下方程式(3)示出了与方程式(2)的±40％偏差的范围。
0.24·A-3.6≤a≤0.56·A-8.4………(3)
即使在该关系落在由方程式(3)表示的范围内的情况下，在缝111处的第一部Ela与第二部Elb之间的电场强度也取得足够高的值。
波导的宽度A与金属构件112的宽度a之间的关系可以在与方程式(2)的±20％偏差的范围内。在这种情况下，在缝111处的第一部Ela与第二部Elb之间的电场强度取得比在该关系落在由方程式(3)表示的范围内的情况下的值更高的值。以下表达式(4)示出了与方程式(2)的±20％偏差的范围。
0.32·A-4.8≤a≤0.48·A-7.2………(4)
3.微波的模式
通常，波导内的电磁波以TE10模式传输。这是因为许多模式下的传输会增加电磁波的能量损耗。当满足以下表达式时，以TE10模式传输微波。
v0/2f＜A＜v0/f
B＜v0/2f
在这些表达式中，V0表示真空中的光速，并且f表示微波的频率。
4.波导内的表面电流
图20是示意性地示出了在微波传播通过波导期间在波导内形成的电场和磁场的图示。在图20中，电场方向形成为向上或向下。磁场形成为垂直于电场起漩涡。
图21是示出了当形成图20中所示的电场和磁场时沿波导的内表面流动的电流的方向的图示。图21中的虚线示出了电流的流动。
5.放电开始电场
图22是示出了在第一实施方式的等离子体产生装置中和在常规等离子体产生装置中微波的功率与形成在缝处的电场的强度之间的关系的图表。图22的横轴表示微波电源120的输出。图22的纵轴表示缝处的电场强度。
Ar气的放电开始电压为约30kV/m。氮气的放电开始电压为约100kV/m。如图22中所示，尽管常规等离子体产生装置可以通过使用约1400W的微波将Ar气转换为等离子体，但是常规等离子体产生装置不能通过使用约3000W的微波将氮气转换为等离子体。第一实施方式的等离子体产生装置100可以通过使用约200W的微波将Ar气转换为等离子体，并且可以通过使用约1700W的微波将氮气转换为等离子体。
如图22中所示，通常，因为需要强电场来开始放电，所以难以通过使用微波的等离子体产生装置来转换诸如氮气的分子气体。如将关于实验描述的，等离子体产生装置100不仅可以使用稀有气体作为等离子体气体，而且可以使用分子气体作为等离子体气体。
6.金属构件的影响
对于在波导中布置金属构件的情况，进行了仿真。在下述条件下进行仿真。波导的宽度(内部宽度)为96mm。波导的高度(内部宽度)为27mm。金属构件的宽度是32mm。金属构件的高度为22mm。微波的输入功率为1W。微波的频率为2.45GHz。
6-1.波导内的电场强度
图23是示出了第一实施方式的等离子体产生装置100的波导内的电场强度的仿真结果。在图23中，金属构件在波导中被布置成位于图23的右侧。在这种情况下，在金属构件周围电场强度是高的。即，该结果与图17一致。
6-2.散射参数
接下来，对散射参数进行仿真。散射参数是散射矩阵的元素的一部分。在那时，对于仅使用第一实施方式的等离子体产生装置100的波导的情况以及将第一实施方式的波导和普通波导连接在一起的情况，计算散射参数。在等离子体产生装置100中，普通波导和具有金属构件的波导连接在一起。因此，在具有金属构件的波导被连接至普通波导的状态下的散射参数是重要的。
图24是示出了仅配备金属构件的波导的散射参数的图表。图24的横轴表示输入微波的频率。图24的纵轴表示散射参数。条件与图16中所示的条件相同。如图24中所示，S21约为0dB，并且表示反射波的比率的S11为-80dB或更小。如上所述，反射波的比率非常小。
接下来，计算将配备金属构件的波导连接至普通波导的情况下的散射参数。在这种情况下，产生了反射波。
图25是示出了在连接具有带有附加部的金属构件的波导和普通波导的情况下的散射参数的图表。图25的纵轴和横轴与图24的纵轴和横轴相同。各个部的尺寸与图12的各个部的尺寸相同。其他条件与图16中所示的条件相同。如图25中所示，S21约为0dB，并且表示反射波的比率的S11为-30dB或更小。如上所述，反射波的比率足够小。
(实验)
1.实验1(稀有气体)
1-1.实验的方法
通过使用第一实施方式的等离子体产生装置100来产生等离子体。波导的截面形状与图2的波导的截面形状相同。缝的长度为1.1m。缝的宽度为0.1mm。微波电源120的输出为0.5kW。等离子体气体是Ar气。Ar气的流量为14slm。
1-2.实验的结果
图26是示出了由等离子体产生装置100产生的等离子体的照片和示出了等离子体的发射强度的图表的第一组合。在图26的上部示出了产生的等离子体的照片。在图26的下部示出了示出等离子体的发射强度的图表。图26的横轴表示沿着等离子体产生装置100的缝的位置。图26的纵轴表示等离子体的发射强度。特定位置处的等离子体的发射强度是指在该位置处的由等离子体发射的光的强度的时间平均值。
图26的左端对应于输入微波的一侧(在下文中被称为“微波输入侧”)。如图26中所示，等离子体的发射强度在缝的整个长度上近似恒定。因此，可以一次对长度约为1m的长形区域进行等离子体处理。
2.实验2(分子气体)
1-1.实验的方法
通过使用第一实施方式的等离子体产生装置100来产生等离子体。波导的截面形状与图2的波导的截面形状相同。缝的长度为0.8m。缝的宽度为0.1mm。微波电源120的输出为5.0kW。等离子体气体是N2气体。N2气体的流量为10slm。
2-2.实验的结果
图27是示出了由等离子体产生装置100产生的等离子体的照片和示出了等离子体的发射强度的图表的第二组合。在图27的上部示出了产生的等离子体的照片。在图27的下部示出了示出等离子体的发射强度的图表。图27的横轴表示沿着等离子体产生装置100的缝的位置。图27的纵轴表示等离子体的发射强度。
图27的左端对应于微波输入侧。如图27中所示，等离子体的发射强度在缝的整个长度上近似恒定。因此，可以一次对长度约为1m的长形区域进行等离子体处理。
3.实验的总结
如上所述，第一实施方式的等离子体产生装置100不仅可以使用诸如Ar气的稀有气体作为等离子体气体，而且可以使用诸如氮气的分子气体作为等离子体气体。因此，等离子体产生装置100可以将各种类型的等离子体施加至要被处理的材料。即，等离子体产生装置100可以用于多种应用。
如图26和图27中所示，在与微波输入侧相对的侧上存在等离子体的发射强度稍微不稳定的区域。然而，宽的稳定区域从微波输入侧延伸。因此，在工业上使用等离子产生装置时，优选将稳定区域中的等离子体施加至要被处理的材料，并且不将不稳定区域中的等离子体施加至要被处理的材料。
(补充说明)
根据第一方面的等离子体产生装置包括：波导，其在xyz直角坐标系中的z方向上延伸；以及微波产生单元，其用于产生在z方向上传播通过波导的微波。波导包括面向波导的内部的第一导体表面、面向波导的内部的第二导体表面以及从第一导体表面延伸至波导的外部的缝。第一导体表面和第二导体表面彼此电连通并且彼此面对。第一导体表面在垂直于z方向的截面中的第一长度(在y方向上)小于第二导体表面在垂直于z方向的截面中的第二长度(在y方向上)。第一长度包括缝在垂直于z方向的截面中的长度(在y方向上)。第二长度小于在x方向上第一导体表面与第二导体表面之间的距离。
在根据第二方面的等离子体产生装置中，第一导体表面和第二导体表面中的每个都是与yz平面平行的表面。
在根据第三方面的等离子体产生装置中，波导包括：第三导体表面和第四导体表面，所述第三导体表面和第四导体表面面向波导的内部，与第二导体表面连续并且彼此面对；以及第一连接表面和第二连接表面中的至少一个。第三导体表面和第四导体表面中的每个均包括平行于xz平面的表面。第一连接表面建立缝或第一导体表面与第三导体表面之间的连接。第二连接表面建立缝或第一导体表面与第四导体表面之间的连接。
在根据第四方面的等离子体产生装置中，第一连接表面与第四导体表面之间的距离随着与第一导体表面的距离增加而增加。
在根据第五方面的等离子体产生装置中，第二连接表面与第三导体表面之间的距离随着与第一导体表面的距离增加而增加。
在根据第六方面的等离子体产生装置中，波导包括：第三导体表面和第四导体表面，所述第三导体表面和第四导体表面面向波导的内部，与第二导体表面连续并且彼此面对；第五导体表面，其面向波导的内部并且面对第三导体表面的一部分；以及第六导体表面，其面向波导的内部并且面对第四导体表面的一部分。第三导体表面和第四导体表面中的每个均包括平行于xz平面的表面。第五导体表面在x方向上的长度和第六导体表面在x方向上的长度小于第一导体表面与第二导体表面之间的距离。
在根据第七方面的等离子体产生装置中，波导包括：第三导体表面和第四导体表面，所述第三导体表面和第四导体表面面向波导的内部，与第二导体表面连续并且彼此面对；第五导体表面，其面向波导的内部并且与第一导体表面连续；以及第六导体表面，其面向波导的内部并且与第三导体表面连续。第六导体表面位于第三导体表面与第五导体表面之间。波导满足以下方程式：
0.24·A-3.6≤a≤0.56·A-8.4
其中，A是在波导的垂直于传输方向的截面中的第一导体表面与第二导体表面之间的距离，并且a是在波导的垂直于传输方向的截面中第一导体表面与第六导体表面之间的距离。
在根据第八方面的等离子体产生装置中，波导在z方向上在与第五导体表面相邻的位置处包括第七导体表面。第七导体表面与第四导体表面之间的距离大于第五导体表面与第四导体表面之间的距离。
在根据第九方面的等离子体产生装置中，缝被形成为使得缝的纵向方向相对于波导的传输方向的角度不为90°。
附图标记说明
100：等离子体产生装置
110：波导
110a：第一壁部
110b：第二壁部
110c：第三壁部
110d：第四壁部
111：缝
112、212、312、412、512、612a、612b、712：金属构件
120：微波产生单元
130：隔离器
140：功率监测器
150：EH调谐器
160：终端单元
171、172、173、174：连接波导
181、182：压力窗波导
190：气体供应单元

Claims (9)

1.一种等离子体产生装置，包括：
波导，其在xyz直角坐标系中的z方向上延伸；以及
微波产生单元，其用于产生在所述z方向上传播通过所述波导的微波，其中，
所述波导包括面向所述波导的内部的第一导体表面、面向所述波导的内部的第二导体表面以及从所述第一导体表面延伸至所述波导的外部的缝；
所述第一导体表面和所述第二导体表面彼此电连通并且彼此面对；
作为在垂直于所述z方向的截面中所述第一导体表面的y方向上的长度的第一长度小于作为在垂直于所述z方向的所述截面中所述第二导体表面的所述y方向上的长度的第二长度；
所述第一长度包括在垂直于所述z方向的所述截面中所述缝的所述y方向上的长度；以及
所述第二长度小于在x方向上所述第一导体表面与所述第二导体表面之间的距离。
2.根据权利要求1所述的等离子体产生装置，其中，所述第一导体表面和所述第二导体表面中的每个是平行于yz平面的表面。
3.根据权利要求1所述的等离子体产生装置，其中，
所述波导包括：第三导体表面和第四导体表面，所述第三导体表面和所述第四导体表面面向所述波导的内部，与所述第二导体表面连续并且彼此面对；以及第一连接表面和第二连接表面中的至少一个；
所述第三导体表面和所述第四导体表面中的每个包括平行于xz平面的表面；
所述第一连接表面建立所述缝或所述第一导体表面与所述第三导体表面之间的连接；以及
所述第二连接表面建立所述缝或所述第一导体表面与所述第四导体表面之间的连接。
4.根据权利要求3所述的等离子体产生装置，其中，所述第一连接表面与所述第四导体表面之间的距离随着与所述第一导体表面的距离增加而增加。
5.根据权利要求3所述的等离子体产生装置，其中，所述第二连接表面与所述第三导体表面之间的距离随着与所述第一导体表面的距离增加而增加。
6.根据权利要求1所述的等离子体产生装置，其中，
所述波导包括：第三导体表面和第四导体表面，所述第三导体表面和所述第四导体表面面向所述波导的内部，与所述第二导体表面连续并且彼此面对；第五导体表面，其面向所述波导的内部并且面对所述第三导体表面的一部分；以及第六导体表面，其面向所述波导的内部并且面对所述第四导体表面的一部分；
所述第三导体表面和所述第四导体表面中的每个包括平行于xz平面的表面；
所述第五导体表面在所述x方向上的长度和所述第六导体表面在所述x方向上的长度小于所述第一导体表面与所述第二导体表面之间的距离。
7.根据权利要求1所述的等离子体产生装置，其中，
所述波导包括：第三导体表面和第四导体表面，所述第三导体表面和所述第四导体表面面向所述波导的内部，与所述第二导体表面连续并且彼此面对；第五导体表面，其面向所述波导的内部并且与所述第一导体表面连续；以及第六导体表面，其面向所述波导的内部并且与所述第三导体表面连续；
所述第六导体表面位于所述第三导体表面与所述第五导体表面之间；以及
所述波导满足以下方程式：
0.24·A-3.6≤a≤0.56·A-8.4
其中，A是在所述波导的垂直于传输方向的截面中所述第一导体表面与所述第二导体表面之间的距离，并且a是在所述波导的垂直于所述传输方向的所述截面中所述第一导体表面与所述第六导体表面之间的距离。
8.根据权利要求7所述的等离子体产生装置，其中，
所述波导在所述z方向上在与所述第五导体表面相邻的位置处包括第七导体表面；以及
所述第七导体表面与所述第四导体表面之间的距离大于所述第五导体表面与所述第四导体表面之间的距离。
9.根据权利要求1所述的等离子体产生装置，其中，所述缝被形成为使得所述缝的纵向方向相对于所述波导的传输方向的角度不为90°。
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