微波等離子體的產生方法和裝置的製作方法

2023-06-06 23:04:16 3

專利名稱：微波等離子體的產生方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於利用微波產生低溫等離子體的技術，適用於薄膜加工和材料處理等技術領域。
電子迴旋共振(ECRElectron Cyclotron Resonance)微波等離子體有著一系列優點和廣泛的應用。
當氣體中的電子處於靜磁場中時，電子的迴旋頻率為Wg＝eB/Me，式中e為電子電荷，B為磁場強度，Me為電子質量。當微波角頻率等於Wg時，電子產生迴旋共振運動，大量吸收微波能量並使氣體離化形成等離子體。電子迴旋共振頻率Wce＝Wg＝eB/Me，對於常用的微波頻率f＝2.45GHz，則靜磁場強度B＝875G時，電子產生迴旋共振運動。
目前實現ECR微波等離子體的技術主要有兩類。一種方法是在笨重的磁場線圈產生的縱向發散磁場條件下形成ECR微波等離子體。使用的裝置稱之為波導式，由微波源，波導傳輸系統，耦合系統和等離子體反應室等部件組成。由微波源產生的微波通過複雜的傳輸系統和波導端頭的真空介質密封窗送入等離子體反應室中。
J.Asmussen，J.Vac.Sci.Technol.A 7(3)，(1989)883中提出了另一種方法，在4對稀土磁鐵形成的橫向8極會切磁場條件下形成ECR微波等離子體。諧振腔式的裝置由微波源產生的微波，通過複雜的傳輸系統和可調同軸探針耦合到圓柱諧振腔中，諧振腔內設有石英圓盤等離子體反應室和調諧活塞，反應室周圍放置4對稀土永磁鐵(表面磁場強度約3000G)。
上兩種技術共同存在的主要缺點是，形成的磁場分布不合理，在縱向為發散磁場，不能封閉式地約束等離子體中的帶電粒子，在縱向產生大量的逃逸，增加了產生和維持等離子體所消耗的能量;要用複雜的微波傳輸和耦合系統。
其次，波導式裝置使用的磁場線圈笨重，耗能大;真空介質密封窗受到帶電粒子轟擊後會受到損傷並汙染等離體;諧振腔式裝置結構複雜，由於磁鐵設置在諧振腔內，使等離子體區域遠小於諧振腔體積，不能很有效地吸收微波能量。
本發明的目的就是為了解決現有技術存在的問題，提出一種能有效地約束等離子體，結構簡單、輕便、高效的ECR微波等離子體的產生方法和裝置。
為了達到本發明目的，提出了一種ECR微波等離子體的產生方法。當氣體進入反應室中，氣體中的自由電子受到外強磁場的約束，輸入由磁控管產生的微波能量後，電子在ECR共振區域產生電子迴旋共振，並吸收能量使氣體離化形成微波等離子體。外強磁場條件是由放置在反應室和諧振腔外的一對永磁鐵產生的橫向「磁瓶」場，氣體中的電子在「磁瓶」場兩端的ECR共振區產生電子迴旋共振，形成的微波等離子體被「磁瓶」場三維封閉地約束在等離子體反應室中。提出的裝置由產生微波的磁控管、使微波達到諧振狀態的諧振腔、等離子體反應室及一對稀土永磁鐵等部件組成。本發明的改進適用於J.Asmussen在對比文獻中提出的波導式和諧振腔式ECR裝置。


圖1是本發明方法的示意圖。
圖2是本發明裝置的示意圖。
以下結合附圖詳述本發明。將氣體通入等離子體反應室[4]中，由於設置的一對稀土永磁鐵[5]產生的強磁場為橫向「磁瓶」場，該「磁瓶」場的磁場強度在「磁瓶」兩端可以為Bmax＞1700高斯;中間Bo≈100高斯。氣體中的自由電子在該「磁瓶」場的作用下產生橫向漂移運動，在「磁瓶」場兩端來回反射。由磁控管[2]產生的微波通過波導或用直接耦合的方式輸入諧振腔[3]中，電子通過「磁瓶」場兩端的ECR共振磁場區域[8](B＝875高斯)產生電子迴旋共振運動，並從微波電場吸取能量而成為高能電子。這些高能電子和氣體分子發生非彈性碰撞時，把能量傳輸給氣體分子並使氣體分子離化，產生更多的電子。這個過程的迅速擴展最終產生等離子體，橫向「磁瓶」場將產生的等離子體三維封閉地約束在區域[9]中。等離子體中的帶電粒子從「磁瓶」場中逃逸的機率約為0.03。此外，由於在「磁瓶」兩端還存在B≥1700高斯的強磁場區域，在此條件下，等離子體對電磁波能量的吸收大為增強，處於反常吸收狀態，還可以產生密度很高的(約1013/cm3)等離子體。
本發明提出的裝置包括磁控管[2]、使微波達到諧振狀態的諧振腔[3]、等離子體反應室[4]及一對稀土永磁鐵等部件。反應室[4]設置在諧振腔[3]內。反應室[4]可以採用石英玻璃或陶瓷材料;諧振腔[3]採用非磁性材料，形狀為圓柱形。反應室[4]上開有氣體入口[7]，並固定在法蘭盤[6]上。帶電源[1]的磁控管[2]與諧振腔[3]相聯。它們可以通過波導聯接，為了簡化裝置，它們也可以直接聯接，將磁控管[2]產生的微波能量直接耦合到諧振腔[3]中。選用的磁控管為CK-620型，連續功率0～800瓦;產生微波頻率2.45GHz。諧振腔[3]上可以設置調諧活塞[10]，工作時通過調節它達到諧振條件;當選擇諧振腔[3]為最佳幾何尺寸時，則可去掉調諧活塞[10]。一對稀土永磁鐵[5]設置在諧振腔[3]外，其表面磁場強度大於3000高斯，在等離子體內產生一個橫向「磁瓶」場，對等離子體中的帶電粒子形成三維封閉約束，並在「磁瓶」場兩端形成ECR共振所需的磁場區域。永磁鐵可以採用NdFeB材料，其橫截面可以是圓形，圓環形或矩形。一對永磁鐵[5]可以在諧振腔[3]外相向放置，也可以利用磁控管[2]本身的磁場在與磁控管[2]基本對稱處放置一個永磁鐵[5]，也可以構成一對永磁鐵[5]產生的相似磁場效果。
與已有技術相比，本發明最大的優點是，一對永磁鐵在等離子體區形成的橫向「磁瓶」場對等離子體中的帶電粒子是三維全封閉地約束，大大減少了帶電粒子的逃逸，提高了能量效率，對多種氣體包括反應氣體能在一個大氣壓至10-4Torr這個很寬的氣壓範圍內產生等離子體。此外，由於磁鐵設置在諧振腔外，反應室直徑能增大到約等於諧振腔的直徑，有效地利用了空間，增大了等離子體區域的體積和面積。
裝置中磁控管直接與諧振腔相聯，省去了複雜的微波傳輸與耦合系統，從而簡化了裝置，如去掉調諧活塞，可進一步簡化裝置;採用永磁鐵代替磁場線圈，易於安裝和調節磁場分布，並可省掉磁場電源，使整個裝置更輕便，體積可做得很小。
採用本發明方法，在本裝置上產生ECR微波等離子體的一個實例是，將Ar氣或反應氣體(如O2)從入氣口[7]通入反應室[4]中，反應室中氣壓為2×10-4Torr，由磁控管[2]產生的微波直接耦合到諧振腔[3]中，當微波輸入功率為20～30瓦時，就可使反應室[4]中的氣體離化，產生微波等離子體。
權利要求
1.一種微波等離子體的產生方法，當氣體進入反應室[4]中，氣體中的自由電子受到外強磁場的約束，輸入由磁控管[2]產生的微波能量後，電子在ECR共振區域產生電子迴旋共振，並吸收微波能量使氣體離化形成微波等離子體，其特徵是所說的外強磁場是由放置在諧振腔[3]和反應室[4]外面的一對永磁鐵產生的橫向「磁瓶」場，電子在「磁瓶」場兩端的ECR共振區[8]產生電子回流共振，所形成的微波等離子體被「磁瓶」場三維封閉地約束在反應室[4]的區域[9]中。
2.如權利要求1的方法，其特徵是磁控管[2]產生的微波能量採用直接耦合的方式輸入到諧振腔[3]中。
3.一種實施權利要求1的裝置，包含有產生微波的磁控管[2]，使微波達到諧振狀態的諧振腔[3]和等離子體反應室[4]，反應室[4]設在諧振腔[3]內，其上開有氣體入口[7]，並固定在法蘭盤[6]上，諧振腔[3]與磁控管[2]相聯，其特徵是諧振腔[3]外有一對稀土永磁鐵。
4.如權利要求3的裝置，其特徵是磁控管[2]與諧振腔[3]直接相聯。
5.如權利要求3或4的裝置，其特徵是稀土永磁鐵的表面磁場強度大於3000高斯，其橫截面是圓形，圓環形或矩形，可以在諧振腔[3]外相向放置一對，或利用磁控管[2]本身的磁場在與磁控管[2]基本對稱處放置一個稀土永磁鐵。
全文摘要
微波等離子體的產生方法和裝置。涉及到微波產生低溫等離子體的技術，適用於薄膜加工和材料處理等。本發明在等離子體反應室和諧振腔外設置一對稀土永磁鐵，在等離子體區形成橫向「磁瓶」場，對帶電粒子形成三維封閉約束，並產生電子迴旋共振所需的磁場區域。由磁控管產生的微波能量直接耦合到諧振腔中使反應室中的氣體離化形成等離子體。對多種氣體包括反應氣體，能在一個大氣壓到2×10
文檔編號H05H1/46GK1055275SQ90105790
公開日1991年10月9日 申請日期1990年3月23日 優先權日1990年3月23日
發明者郭華聰 申請人:四川大學