CN114205985A - 一种小束径螺旋波等离子体产生装置及产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小束径螺旋波等离子体产生装置及产生方法，包括：射频天线、真空系统和磁场源；真空系统包括：源区变径石英管和与其连接的扩散区石英管，源区变径石英管包括：宽部和与其相连的窄部，宽部的另一端连接进气部件，所述窄部从扩散区石英管一端延伸至内部，窄部的自由端设置为等离子体射流出口，所述扩散区石英管另一端设置有真空抽气口；射频天线包裹于源区变径石英管外侧，呈右螺旋状；射频天线与射频电源连接；磁场源包括：六块弱磁环形磁铁和两块强磁环形磁铁，环形磁铁圈设于射频天线外。本发明通过新的设计思路使螺旋波等离子体装置小型化、结构简单化、等离子体束流直径与长度可控化，拓展了高密度螺旋波等离子体研究与应用。

Description

一种小束径螺旋波等离子体产生装置及产生方法
技术领域
本发明公开了一种小束径螺旋波等离子体产生装置及产生方法，涉及螺旋波等离子体产生装置技术领域。
背景技术
螺旋波是一种在径向磁场约束下传播的右旋极化波，它的频率在离子回旋频率和电子回旋频率之间。相比于传统的低温等离子体技术：例如电子回旋共振（ECR）、射频磁控溅射、容性耦合（CCP）、感应耦合（ICP）等，螺旋波等离子体较传统低温等离子体源具有以下显著优势：高密度、高效率、低气压放电、离子能量可以独立控制、参数调制范围广。
目前对螺旋波等离子体的理论研究和工业应用的文献报道显示：螺旋波等离子体能够产生高密度且均匀的等离子体在许多半导体制造领域（刻蚀，沉积）已有应用；作为电力推进系统用于航天飞行器的姿态调节控制；用于管道内部的清洗与涂层。
航天飞行器的微型化，材料处理的微区化都对螺旋波等离子体源小型化提出了苛刻的条件，发展小束径螺旋波等离子体，可以作为微型航天飞行器动力系统，进行深空探测；也可以用于材料微区处理；对极细管道内壁进行表面改性与涂层制备；其高效的等离子体产生效率在等离子体与材料相互作用方面同样具有广阔的应用前景。因此发展小束径螺旋波等离子体可以为半导体工业、清洁能源发展和航天事业舔砖加瓦。
现有装置体积大，功耗大，系统庞杂，不易操作，无法满足航天飞行器动力需求；传统装置的大体积形成的等离子体束流无法实现对材料微区（毫米级）进行处理，也无法满足微径管的内壁处理。本发明均克服了以上缺陷。实现了螺旋波等离子体技术在微区、微结构领域应有的可能。
发明内容
本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供一种小束径螺旋波等离子体产生装置及产生方法，实现小束径高密度等离子体的形成，具有稳定的放电条件，为实现实际用于提供技术支持。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种小束径螺旋波等离子体产生装置，包括：射频天线、真空系统和磁场源；
所述的真空系统包括：源区变径石英管和与其连接的扩散区石英管，所述源区变径石英管包括：宽部和与其相连的窄部，窄部和宽部之间设置变径过渡部，所述宽部的另一端连接进气部件，所述窄部从扩散区石英管一端延伸至内部，窄部的自由端设置为等离子体射流出口，所述扩散区石英管另一端设置有真空抽气口；
所述射频天线包裹于源区变径石英管外侧，呈右螺旋状；射频天线与射频电源连接；
所述的磁场源包括：六块弱磁环形磁铁和两块强磁环形磁铁，环形磁铁圈设于射频天线外；通过磁铁与磁铁之间的调节片可以根据软件模拟结果需求调节任意两块磁铁之间的距离，实现目标磁场强度和位形的需求。
进一步的，所述进气部件与源区变径石英管的宽部的连接处设置第一支撑件，所述的源区变径石英管的变径过渡部和扩散区石英管的连接处设置第二支撑件，所述的真空抽气口处设置第三支撑件。三个支撑件用于确保变径石英管、扩散区石英管以及轴向磁场处于一条水平线上，确保磁场对等离子体的有效作用；同时三个支撑件用于保证连接处的气密性。
进一步的，所述源区变径石英管窄部的外径5 mm，内径3 mm，扩散区石英管长度500 mm，直径50 mm。
进一步的，所述射频天线为长124 mm，直径为16 mm的右螺旋天线。
进一步的，所述射频天线与射频电源之间设置匹配器，匹配器为两个可调陶瓷电容组成的π型匹配网络。
进一步的，还包括屏蔽系统，所述屏蔽系统由200目铜网包裹于裸露的石英管外壁构建而成。
一种小束径螺旋波等离子体产生方法，包括以下步骤：
步骤1：根据放电需求设定磁场位型和强度；
步骤2：从进气部件通入放电气体，调节气体流量值和抽气速率控制扩散区石英管内部的气压。
步骤3：将射频功率通过匹配器调节加载到螺旋天线上，激发形成螺旋波等离子体；
步骤4：在源区变径石英管里，螺旋波等离子体在磁场的作用下约束并输运至等离子体射流出口喷出。
进一步的，步骤2中，气压控制在10-1Pa至10Pa。
工作原理：射频功率通过匹配网络调节加载到右螺旋半波长天线上，石英管和磁场起到了约束等离子体的作用，同时在磁场的作用下等离子体被磁化，电流在天线上流动形成电磁场激发前驱气体电离形成等离子体，同时形成的螺旋波与等离子体相互作用，等离子体中的粒子从电磁波中获得能量，进一步发生激发、碰撞、电离等能量传递过程，源区变径石英管产生的等离子体均能引出至下游30 cm处（射频天线左端起至其左端30cm），维持束径小于3 mm的高密度螺旋波等离子体。
有益效果：1.本发明通过新的设计思路使螺旋波等离子体装置小型化、结构简单化、等离子体束流直径与长度可控化，拓展了高密度螺旋波等离子体在微区材料处理、微型飞行器推进和等离子体与壁材料相互作用的研究与应用；能实现小束径高密度等离子体的形成，具有稳定的放电条件，为实现实际用于提供技术支持。
2. 本发明采用永磁铁可以灵活的调节磁场位置、改变磁场的形状，用以研究磁场位型结构对小束径螺旋波等离子体放电的影响，同时也避免了电磁铁长时间放电存在的冷却问题。
3. 本发明低功率情况下利用风冷对射频天线进行风冷，有效解决长时间条件下由于发热引起的不稳定性。
附图说明
图1是本发明用于产生小束径高密度螺旋波等离子体的装置示意图；
图2(a)、(b)、(c)、(d)分别是本发明的Ar、He、N2、D2螺旋波等离子体放电CCD图；
图3是利用本发明装置氮气放电发射光谱图；
图4是COMSOL模拟磁场位型图。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示的一种实施例，一种小束径螺旋波等离子体产生装置，包括：射频天线6、真空系统和磁场源7；
所述的真空系统包括：源区变径石英管3和与其连接的扩散区石英管10，所述源区变径石英管3包括：宽部和与其相连的窄部，窄部和宽部之间设置变径过渡部，所述宽部的另一端连接进气部件1；所述窄部从扩散区石英管10一端延伸至内部，窄部完全设置在扩散区石英管10内部，窄部的自由端设置为等离子体射流出口9，所述扩散区石英管10另一端设置为真空抽气口12；真空系统的真空腔体结构件采用石英管材料，能够有效的避免等离子体放电过程中腔体材料溅射的物质对等离子体造成污染；
所述射频天线6包裹于源区变径石英管3外侧，呈右螺旋状；射频天线6与射频电源4连接；
所述的磁场源7包括：六块弱磁环形磁铁和两块强磁环形磁铁，环形磁铁圈设于射频天线6外；单个圆环永磁铁磁场强度的一定的，在改变永磁铁两辆之间的距离时，两块永磁铁形成的磁场会叠加或者互相削弱；如图4所示，可通过COMSOL多物理场软件模拟，可以根据实验所需磁场要求，对永磁铁组合进行调节达到所需磁场强度和位型。
所述进气部件1与源区变径石英管3的宽部的连接处设置第一支撑件2，所述的源区变径石英管3窄部和扩散区石英管10的连接处设置第二支撑件8，第二支撑件8连接于变径过渡部处，所述的真空抽气口12处设置第三支撑件11。
所述源区变径石英管窄部的外径5 mm，内径3 mm，扩散区石英管10长度500 mm,直径50 mm。
所述射频天线6为长124 mm，直径为16 mm的右螺旋天线。
所述射频天线6与射频电源4之间设置匹配器5。
还包括屏蔽系统：所述屏蔽系统由200目铜网包裹于裸露的石英管外壁构建而成，所述铜网将源区变径石英管3和与其连接的扩散区石英管10的外部进行包裹。
如图2所示，四种不同前驱体在特定条件下放电，利用CCD相机研究放电射流结构，（a）、（b）、（c）和（d）分别是Ar、He、N2和D2在500 W、500 W、1000W和1000 W的射频功率条件下放电图，射频频率为13.56 MHz，气体流量为20 sccm，图中显示，等离子体均能够从射流出口引出。
（1）产生Ar螺旋波等离子体：在磁场强度为1000 G时，利用13.56 MHz的射频电源，射频功率最小为500 W激发螺旋波模式放电，气体流量为20 sccm。
（2）产生He螺旋波等离子体：在磁场强度为1000 G时，利用13.56 MHz的射频电源，射频功率为500 W，气体流量为20 sccm。
（3）在产生D2螺旋波等离子体：在磁场强度为1000 G时，利用13.56 MHz的射频电源，射频功率为900 W，气体流量为20 sccm。
（4）在产生N2螺旋波等离子体：在磁场强度为1000 G时，利用13.56 MHz的射频电源，射频功率为900 W，气体流量为20 sccm。
如图3所示，本发明提供的一种实施例：氮气为例选择放电条件为：磁场强度为1000 G时，利用13.56 MHz的射频电源，射频功率为900 W，气体流量为20 sccm。
以氮气放电为例做的发射光谱诊断，带方块谱线放电功率为500W，带圆圈谱线放电功率为1000W。由图3可知：在500W放电时光谱中出现的N2激发态的峰、N2 +离子峰，在1000W放电时光谱中出现的N2激发态的峰、N2 +离子峰、N原子激发态的峰（NⅠ）和N离子的峰（NⅡ）,说明射频功率为1000W时形成了高等离子体密度的螺旋波N等离子体，佐证了本发明能够在合理的放电条件下能够形成多种类前驱体或不同前驱体混合放电的高密度螺旋波等离子体；使得小束径高密度螺旋波等离子体应用成为可能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种小束径螺旋波等离子体产生装置，其特征在于，包括：射频天线、真空系统和磁场源；
所述的真空系统包括：源区变径石英管和与其连接的扩散区石英管，所述源区变径石英管包括：宽部和与其相连的窄部，所述宽部的另一端连接进气部件，所述窄部从扩散区石英管一端延伸至内部，窄部的自由端设置为等离子体射流出口，所述扩散区石英管另一端设置有真空抽气口；
所述射频天线包裹于源区变径石英管外侧，呈右螺旋状；射频天线与射频电源连接；
所述的磁场源包括：六块弱磁环形磁铁和两块强磁环形磁铁，环形磁铁圈设于射频天线外。
2.根据权利要求1所述的一种小束径螺旋波等离子体产生装置，其特征在于，所述进气部件与源区变径石英管的宽部的连接处设置第一支撑件，所述的源区变径石英管和扩散区石英管的连接处设置第二支撑件，所述的真空抽气口处设置第三支撑件。
3. 根据权利要求1所述的一种小束径螺旋波等离子体产生装置，其特征在于，所述源区变径石英管窄部的外径5 mm，内径3 mm，扩散区石英管长度500 mm，直径50 mm。
4. 根据权利要求1所述的一种小束径螺旋波等离子体产生装置，其特征在于，所述射频天线为长124 mm，直径为16 mm的右螺旋天线。
5.根据权利要求1所述的一种小束径螺旋波等离子体产生装置，其特征在于，所述射频天线与射频电源之间设置匹配器。
6.根据权利要求1所述的一种小束径螺旋波等离子体产生装置，其特征在于，还包括屏蔽系统，所述屏蔽系统由200目铜网包裹于裸露的石英管外壁构建而成。
7.一种基于权利要求1~6任一项所述的小束径螺旋波等离子体产生装置的小束径螺旋波等离子体产生方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据放电需求设定磁场位型和强度；
步骤2：通入放电气体，调节气体流量值和抽气速率控制扩散区石英管内部的气压；
步骤3：射频功率通过匹配器调节加载到螺旋天线上，激发形成螺旋波等离子体；
步骤4：在源区变径石英管里，螺旋波等离子体在磁场的作用下约束并输运至等离子体射流出口喷出。
8.一种基于权利要求7所述的小束径螺旋波等离子体产生装置的小束径螺旋波等离子体产生方法，其特征在于，步骤2中，气压控制在10-1Pa至10Pa。
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