低功率氣態等離子體源的製作方法

2023-05-06 17:04:51 1

專利名稱：低功率氣態等離子體源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種氣態等離子體源，更具體地涉及一種在其中通過高頻電磁輻射和低壓氣體間的相互作用獲得等離子體的源。
背景技術：
已知的是，通過將電磁輻射施加到低壓氣體，氣體可以被電離且在高頻電磁場足夠強的區域內形成等離子體。考慮到等離子點火和維持條件(帕邢條件)，通常有必要使用相對大功率的高頻源，且通常使用磁控管。磁控管具有能夠以合理的成本提供強功率(大約在10到100瓦特的輸出功率或更多)的優點，使得很容易獲得點火條件。然而，該功率在磁控管和期望產生等離子體的區域間的輸送和調節會帶來很大的空間和技術的限制，諸如波導件尺寸、冷卻系統、真空操作等。
而且，使用電晶體振蕩器的高頻源(在釐米波領域，頻率範圍為0.4到IOGHz)是已知的。廣泛用於手機和無線網絡(WIFI)通信系統領域的這樣的源，在當它們的功率低於 10瓦特(例如，在0.2到5瓦特範圍內)時，目前是低成本的且低批量的。
一旦等離子體源是可用的，這樣的源可能有多種應用。例如，它可以有效地作為用於處理安置在非常接近等離子體產生區域的物質的等離子體源。它也可以作為光源。它也可以作為一種從等離子產生區域提取的離子的源。

發明內容
本發明的目的是形成一種等離子體源，該等離子體源避免現有的裝置中的至少某些缺點。
本發明的實施方式的更具體的目的是提供一種等離子體源，該等離子體源可以由高頻電晶體振蕩器激發。
本發明的實施方式的另一目的是形成一種小尺寸的等離子體源。
本發明的實施方式的另一目的是形成一種靈活的等離子體源。
本發明的實施方式的另一目的是形成多個等離子體源，該多個等離子體源可以被組裝在面板上以形成大表面面積的等離子體源。
本發明的實施方式的另一目的是形成一種等離子體源，該等離子體源特別適合用於形成光源。
本發明的實施方式的另一目的是形成一種等離子體源，該等離子體源特別適合用於形成離子源。
為實現上述全部或部分目的以及其他目的，本發明的實施方式提供一種等離子體源，該等離子體源包括形成四分之一波長的天線的第一桿，該第一桿由形成耦合器的至少一個平行的杆環繞，該平行的杆具有與第一桿基本相同的長度，且該平行的杆設定成基準電壓，形成耦合器的杆放射狀圍繞第一桿規則地分布，並且與第一桿的距離大約在四分之一波長的一半到四分之一波長的二十分之一。
根據本發明的實施方式，等離子體源與在0. 4GHz到IOGHz範圍內的高頻發生器相連，該高頻發生器由高頻(HF)電晶體振蕩器形成。
根據本發明的實施方式，上述等離子體源被應用於光源的形成，其中所述源包括二個華禹合器。
根據本發明的實施方式，所述等離子體源由透明的導電殼體包圍。
根據本發明的實施方式，所述等離子體源由塗覆有導電網的絕緣殼體包圍。
根據本發明的實施方式，上述等離子體源被應用於將基板安置在等離子體存在區內，杆的端部安置在軸向磁場內，所述源被布置成距離所述基板較小距離，該組件被裝在根據期望在等離子體中產生的原子種類而選擇的真空環境中。
根據本發明的實施方式，上述等離子體源被用於形成離子注入機，包圍三個杆的腔室是金屬腔室，該腔室包括平行於杆的端部的平面，該平面被刺穿有開口且安置成與加速電極相對。
根據本發明的實施方式，提供一種擴展的等離子體源，其包括並排布置的基礎的諸如上述的等離子體源的組件，每一個基礎的源和高頻電晶體振蕩器相連。
根據本發明的實施方式，在擴展的等離子體源中，相同的磁體對相鄰的基礎的等離子體源施加軸向磁場。


在如下結合附圖對具體實施方式
的非限制性描述中將更詳細討論本發明的前述和其他目的、特徵和優點 圖1A、圖IB和圖IC分別示出根據本發明的實施方式的用作光源的等離子體源的透視圖、前視圖和沿圖IB的線CC的橫截面圖； 圖2A到圖2F示出在氣體(其內產生等離子體)裝在由絕緣材料製成的殼體中的情況下各種等離子體源結構的等勢線； 圖3A到圖3F示出在氣體(其內產生等離子體)裝在由導電材料製成的殼體中的情況下各種等離子體源結構的等勢線； 圖4是根據本發明的實施方式的用作等離子體發生器的等離子體源的簡化的前視圖； 圖5是根據本發明的實施方式的用作離子源的等離子體源的簡化的前視圖；以及 圖6A和圖6B是根據本發明的實施方式的等離子體源的組件的簡化的橫截面和俯視圖。
具體實施例方式圖1A、圖IB和圖IC示出等離子體源，該等離子體源包括在支撐件1上且在真空殼體內的中央杆3，該中央杆3形成在所考慮的頻率(例如頻率範圍大約為2. 4到5. 8GHz) 下大體四分之一波長的天線。因此，如果頻率約為2. 4GHz，則波長的1/4 (λ/4)的值約為 3cm，其對應於杆3的長度。該杆通過區域4與支撐件隔離，且由高頻電壓Uhf激發。杆3由三個等距離且規則分布的杆6、7、8環繞，杆6、7、8的長度大體上與中央杆相同且起耦合器作用。將這三個杆連接到直流基準電壓，例如由支撐件1形成的接地層。應注意的是，在圖IB的示出中，看不見被安置在杆7的後面的杆8。作為示例，該等離子體源已被示出為安置在透明的殼體9中以形成光源，該透明的殼體9例如由石英形成。
形成耦合器的每一個杆6、7、8和形成天線3的中央杆之間的徑向距離比波長的四分之一小，例如，大約比波長的四分之一小5到15倍，優選地大約比波長的四分之一小10 倍。因此，在波長的四分之一是3cm的示例中，每一個耦合器杆與形成天線的杆間的徑向距離將被選擇為例如約3mm。
採用這種結構，能夠確認，當形成天線的杆被激發時，在基本由虛線輪廓10(參見圖IB和圖1C)限定的區域內形成等離子體。等離子體區域靠近杆的與支撐件1相對的端部，且主要地自中央杆3向三個耦合器6、7、8延伸。這表明在區域10內具有一定濃度的高頻場。由於場的這種局部特性，對等離子體點火和維持來說可以使用相對低的功率。然而， 典型地，為達到等離子體產生條件(帕邢條件)，必須將約為5到15瓦特的高頻(HF)功率施加到通常的四分之一波長的輻射天線，這裡應確認，在0. 5到2瓦特範圍內的相對低的功率足夠將等離子體點火，其用於小於1瓦特的功率的維持。據估計，對氫氣來說，當缺乏磁場時，在2. 5mm內的20kV/m的場是典型的點火閾值。
這種結構因此具有顯著的優點，即可以通過相對低功率的源(諸如高頻電晶體振蕩器，目前在手機中使用的類型)激發天線。因此，等離子體源和其激發系統可以是小體積和低批量的。儘管這樣，在等離子體區域，等離子體非常密集且獲得非常明亮的光源。
在作為光源的操作中，可以使用例如氬氣/汞或氙氣/汞或氘的氣體。本發明的該實施方式的優點是，類似於低功耗燈，高頻激發源和燈可以不用冷卻而操作。
更普遍的是，本發明的目的是一種等離子體產生系統，該等離子體產生系統包括與一個或多個耦合器相連的四分之一波長的天線，所述耦合器安置成與所述天線相距短距
1 O 圖2A到2F示出在氣體(其內產生等離子體)裝在由絕緣材料製成的殼體中的情況下各種等離子體源結構的等勢線。此外該系統被認為是打開的。這樣的系統是非共振的。 考慮的是，與大體上是四分之一波長的天線3相連的結構分別是0、1、2、3、4和8個呈四分之一波長的杆形式的耦合器。考慮的是，當存在耦合器時，耦合器在天線的約四分之一波長的十分之一(λ/40)的徑向距離處。一方面，當存在耦合器時，電場被認為位於在耦合器方向上距離天線λ /80的點Ml處，另一方面，位於殼體上的點Μ2處，該殼體用於盛裝其中產生等離子體的氣體。在該示例中，點Μ2距離天線的徑向距離大約是λ/10。
圖2Α到圖2F對應於在位於與天線和耦合器的端部相距2mm的位置的平面內的橫截面圖，天線和耦合器中的每一個具有2. 5mm的直徑和27mm的高度。在每種情況下認為， 天線以5瓦特的功率和2. 45GHz的頻率被激發。
在圖2A到圖2F的每一個中，已經採用虛線示出為20kV/m的場線，這意味著，在虛線輪廓內，場大於該值。下文的表1表示在每種情況下點Ml和M2的場的值(採用kV/m)。
表1 在Ml和M2處以kV/m表示的場一絕緣殼體 耦合器的數量012348Ml144028211716M231.0.80.30.20.2 為具有有效的光源，最大場必須足夠高以能夠將等離子體點火(在約2. 5mm範圍內大於20kV/m)，且對於越過M2輻射到殼體外部的場，則儘可能低以遵守電磁輻射標準。
因此，能夠確認，採用一個天線和三個耦合器的系統是最佳折中之一，只要是在基本由三個耦合器界定的三角形內存在大於20kV/m的強場區域，且另一方面，該電場在殼體內非常低，低於0.3kV/m。另一方面，為形成燈，耦合器必須儘可能少地遮擋光輻射，這就是僅使用三個耦合器時的情況。
圖3A到3F示出天線分別連接0、1、2、3、4和8個耦合器的結構。此時，導電區域設置在殼體上，或者形成殼體，或者存在於殼體內。該導電區域優選地接地，類似耦合器。在這種情況下，殼體外部的場是零。這樣的系統被認為是封閉的且共振的。
附圖對應於所施加功率僅1瓦特且頻率接近2. 45GHz的情況。應注意的是，如果系統在三個耦合器的情況下採用該2. 45GHz的頻率是共振的，則對具有1、2、4和8個耦合器的系統來說，採用2. 51,2. 48,2. 42和2. 39GHz的頻率也分別是共振的。
此外，在圖3A到3F中的每一個，已經採用虛線示出20kV/m的場線。所述場甚至比在開放式系統的情況下更密集，且點火閾值是1W，甚或是0. 21 由於上述內容，為形成光源，優選地採用具有中央天線和三個外圍的耦合器的系統，該中央天線和三個外圍的耦合器相對於施加的高頻電壓(Uhf)都具有大體上四分之一的波長度。優選地，該結構被安置在導電殼體內。因此，為形成光源，優選地使用透明的導電殼體，例如，塗覆透明導電層的石英殼體，透明導電層例如是ITO且設定成地電壓。用於接地的外圍導體，也可以假設是網孔或者不阻礙光的傳播的網狀物。
然而，在包圍等離子體源的殼體是導電性的情況下，這種結論很可能被弱化。實際上，在這種情況下，無論耦合器的數量O 1)是多少，如果頻率與在天線和耦合器大體上具有四分之一波長度的情況下的頻率值近似匹配，則將總是發現共振頻率非常接近(在10% 以內)天線被正常計算的頻率。這由本領域技術人員用實驗方法通過簡單地改變在初始選擇的頻率附近的頻率且無需反覆試驗即可容易地確定這點。無論耦合器的數量是多少，能夠獲得與具有三個耦合器的系統的情況獲得的場相同的場。應提醒，後文將詳細說明本發明作為光源、作為直接等離子體源或者作為離子源的應用。實際上，根據應用，具有特定的等離子體形狀可能是有利的，例如，由設有大量耦合器或者由環狀排列在中央天線周圍的直流耦合器獲得的大量等離子體。
為簡化說明和附圖，後文將給出在僅使用三個耦合器的情況下的本發明的應用的示例，但應提醒的是，可以使用任意數量的耦合器，尤其是在系統是封閉的系統(即採用導電介質包圍)的情況下。
如圖4所示，以非常簡略方式示出的等離子體源可以包括圍繞天線3和三個耦合器6、7和8的金屬殼體12，且等離子體源可在杆的與支撐件1相對的端部的一側是敞開的。 接著，尤其是如果由磁體系統13產生平行於杆的方向的磁場B，則產生延伸超出杆的端部以外的等離子體區域14。這通常用來對位於杆的自由端的前方的基板(未示出)產生作用。
圖5非常示意性地示出使用圖5的等離子體源來形成離子源。圖5的頂部和圖4 相同。然而，此時，腔在天線3和耦合器6、7、8的端部的一側被具有開口 22的導電板21封閉。加速電極23和M被設置成在射向目標沈的束25中提取離子。當然，所述組件是封閉的且填充期望自其中形成離子束的低壓氣體或氣體原子團(gas species)。此外，通常， 將用於隔離原子團的單色器例如維恩(Wien)濾質器，插入離子束的運動軌跡中，期望採用該原子團轟擊目標物。
應注意的是，只要合理地選擇各種板的偏壓，也可以自等離子體中提取電子束。
根據本發明的實施方式的一方面，如圖6A和圖6B所示，利用了緊密性和形成擴展的等離子體源所需的低激發功率的優勢。
圖6A和圖6B分別示出大量等離子體單元30並排排列的組件的前視圖和底視圖， 其中每一個單元具有例如圖4所示的結構。這些等離子體單元中的每一個與帶有電晶體的射頻(RF)發生振蕩器相連，射頻發生振蕩器以方塊示出且採用附圖標記31指示。根據所涉及到的尺寸，有足夠的空間將等離子體單元與帶有電晶體的射頻發生振蕩器相連，該帶有電晶體的射頻振蕩器提供1到3瓦特的峰值功率(用於等離子體點火)和大約範圍在0. 2 到0. 5瓦特的穩定態功率。該單元面板結構的優點是，用於產生等離子體擴張區域的磁體 32可以被布置為用作兩個相鄰的單元使用的磁體。
作為示例，每一個單元將是直徑大約在1. 5到2. 5cm範圍內的圓柱形單元，所述單元布置成間距(st印)大約在2到4cm範圍內。
當然，獲得的擴展的等離子體源可以直接用作等離子體源，或者可以與圖5所示類型的加速系統相連以形成擴展的離子源，例如在製造半導體器件時用於注入離子。
將特定的激發振蕩器與每一個等離子體源的單元相連的優點是每一個等離子體源的強度能夠被精確地設定以使得它們全部相同，或者反之，設定用於獲得選定的等離子體密度分布曲線。
儘管，為簡化，在圖6A和6B中僅示出少量的單元，應注意的是，根據本發明的結構非常適合於鋪裝大量單元，例如大約100個或者更多。
已經總體上討論了本發明，但應注意的是，本發明可能有多種變型。尤其地，儘管詞語「杆」已被用於指代天線和每一個耦合器，應理解，這些元件中的每一個可以是導電元件或塗覆有導體的元件，且如果它們的機械強度足夠強也可以是例如電線。這樣的耦合器也可以是具有非圓形橫截面的柱形元件以為等離子體區域提供特定的形狀，或者具有光反射器的作用。
在本文中，通常使用不同的氣體用在等離子體源中以提供光源，例如氙氣、氬氣、 氮氣等。在如此使用等離子體源或者等離子體源用作離子源的情況下，能夠提供期望的活性原子團(例如？迅』2!16、3&、014等)的元素將和所述氣體結合。
已經描述了本發明的具體實施方式
。本領域技術人員將能想到各種變型和修改。 特別地，所給的尺寸僅作為示例。
權利要求
1.一種等離子體源，其被高頻信號激發，該等離子體源包括第一桿(3)，所述第一桿形成四分之一波長的天線，所述第一桿由形成耦合器(6、7、8)的至少一個平行的杆環繞，所述平行的杆具有與所述第一桿基本相同的長度且設定成基準電壓，形成耦合器的所述杆放射狀地圍繞所述第一桿規則地分布，並且與所述第一桿的距離大約在所述四分之一波長的一半到所述四分之一波長的二十分之一，所述天線和所述耦合器以相同的方向取向。
2.如權利要求1所述的等離子體源，其與0.4GHz到IOGHz範圍內的高頻發生器相連， 該高頻發生器由高頻電晶體振蕩器形成。
3.—種如權利要求1所述的等離子體源用於形成光源的用途，其中所述等離子體源包括三個耦合器。
4.如權利要求3所述的用途，其中所述等離子體源由透明的導電殼體包圍。
5.如權利要求3所述的用途，其中所述等離子體源由塗覆有導電網的絕緣殼體包圍。
6.一種如權利要求1所述的等離子體源用於將基板安置在等離子體存在區內的用途， 其中所述杆的端部被安置在軸向磁場內，所述源被布置成距離所述基板較小距離，該組件被裝在根據期望在等離子體中產生的原子種類而選擇的真空環境中。
7.—種如權利要求6所述的等離子體源用於形成離子注入機的用途，其中包圍所述三個杆的腔室是金屬腔室，該腔室包括平行於所述杆的端部的平面，該平面被刺穿有開口且安置成與加速電極相對。
8.一種擴展的等離子體源，其包括並排布置的基礎的根據權利要求1所述的等離子體源的組件，每一個基礎的源與高頻電晶體振蕩器相連。
9.如權利要求8所述的擴展的等離子體源，其中相同的磁體對相鄰的基礎的等離子體源施加軸向磁場。
全文摘要
本發明涉及一種等離子源，該等離子源包括第一桿(3)，該第一桿形成四分之一波長的天線，被至少一個平行的杆環繞，該平行的杆形成耦合器(6、7、8)，且該平行的杆和所述第一桿的長度基本相同，該平行的杆設定成基準電壓，所述耦合器杆是呈放射狀地均勻地分布在第一桿周圍，與第一桿的距離大約在四分之一波長的五分之一到四分之一波長的二十分之一之間。
文檔編號H01J27/16GK102187743SQ200980141425
公開日2011年9月14日 申請日期2009年10月16日 優先權日2008年10月17日
發明者帕斯卡爾·索爾泰, 蒂埃裡·拉米 申請人:國家科學研究中心