用于產(chǎn)生等離子體的同軸微波施加器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于產(chǎn)生等離子體的同軸微波施加器以及在一壓強(qiáng)范圍內(nèi)的等離子體產(chǎn)生方法，該壓強(qiáng)范圍為KT2Pa至13Pa (也就是從l(T4torr左右至大約1torr)。
【背景技術(shù)】
[0002]由微波電磁場(chǎng)產(chǎn)生等離子體能夠根據(jù)所設(shè)想的壓強(qiáng)范圍不同以及是否存在(與微波電磁場(chǎng)的磁分量截然不同的)靜磁場(chǎng)來(lái)使用不同的機(jī)制實(shí)現(xiàn)。
[0003]在ltorr(ltorr = 133Pa)以下，當(dāng)存在足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)時(shí)，由微波產(chǎn)生等離子體能夠以稱(chēng)為電子回旋共振(RCE，resonance cyclotronique electronique)的共振親合模式來(lái)獲得。
[0004]在電子回旋共振中，如果磁場(chǎng)(能夠由線(xiàn)圈或永磁體產(chǎn)生)的強(qiáng)度使得電子在磁場(chǎng)中的回轉(zhuǎn)頻率等于微波電場(chǎng)的頻率&，那么微波電場(chǎng)非常有效地對(duì)電子加速，因此:
[0005]f0= eB 0/2 π me (I)
[0006]其中，為電子的質(zhì)量，-e為電子的電荷量并且B ^為與微波頻率f ^的電子回旋共振(RCE)對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)的強(qiáng)度。
[0007]在沒(méi)有碰撞時(shí)，所謂的快電子的軌跡則在磁場(chǎng)中被加速至電子回旋共振并隨后圍繞磁場(chǎng)線(xiàn)螺旋運(yùn)動(dòng)，并且每個(gè)電子因此能夠在兩個(gè)鏡像點(diǎn)之間振蕩，電子的速度在鏡像點(diǎn)處平行于磁場(chǎng)線(xiàn)抵消并改變符號(hào)。
[0008]實(shí)際上，當(dāng)電子的磁矩在電子軌跡上守恒(運(yùn)動(dòng)的絕熱不變量)導(dǎo)致磁場(chǎng)的強(qiáng)度增大時(shí)，電子平行于磁場(chǎng)線(xiàn)的速度減小而使圍繞磁場(chǎng)線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)速度增大(電子的動(dòng)能守恒)，直到電子平行于磁場(chǎng)線(xiàn)的速度在第一鏡像點(diǎn)處被抵消，隨后方向改變?yōu)槌虻诙R像點(diǎn)M,以此類(lèi)推。
[0009]磁場(chǎng)的強(qiáng)度相同的這些鏡像點(diǎn)M通常位于同一磁體的兩個(gè)朝向相反的磁極(如圖1)或兩個(gè)毗鄰的磁體(參見(jiàn)圖2)。
[0010]圖1示出了磁化方向由箭頭示意性示出的永磁體ml。
[0011]兩條磁場(chǎng)線(xiàn)L被示出，并且被驅(qū)動(dòng)圍繞磁場(chǎng)線(xiàn)L旋轉(zhuǎn)的電子的軌跡T在其中一條磁場(chǎng)線(xiàn)上被示意性示出。
[0012]圖2示出了兩個(gè)彼此平行布置的永磁體ml和m2，兩個(gè)永磁體的相反的磁化方向由箭頭示意性示出。
[0013]在此情況下，磁場(chǎng)線(xiàn)L將兩個(gè)磁體的毗鄰極相連接，電子的軌跡在兩條磁場(chǎng)線(xiàn)中的一條上示意性示出。
[0014]上述運(yùn)動(dòng)一直延續(xù)直到加速至電子回旋共振的快電子遭受碰撞并且特別是電離碰撞。
[0015]等離子體，即電子和離子，因此沿著加速至電子回旋共振的快電子的軌跡產(chǎn)生，隨后通過(guò)連續(xù)碰撞而擴(kuò)散到軌跡的兩邊，因此垂直于磁場(chǎng)線(xiàn)。
[0016]在文獻(xiàn)FR 2797372,FR 2838020, FR 2904177, FR 2904178 和 FR 2938150 中對(duì)多個(gè)使用電子回旋共振的設(shè)備進(jìn)行了說(shuō)明。
[0017]通常，這些設(shè)備包括具有位于同軸微波施加器(微波施加器)的出口處的永磁體的磁結(jié)構(gòu)。
[0018]這些磁結(jié)構(gòu)致使加速至電子回旋共振的全部快電子在兩個(gè)鏡像點(diǎn)M之間振蕩而不會(huì)接觸到能夠收集快電子的材料表面。
[0019]因此，被吸收用于加速快電子的微波功率被完全用于通過(guò)電離碰撞產(chǎn)生等離子體，而并不對(duì)中斷其軌跡的表面進(jìn)行撞擊，從而為通過(guò)快電子產(chǎn)生等離子體提供了最佳效率。
[0020]全部這些設(shè)備都允許以卓越的性能來(lái)產(chǎn)生微波等離子體。
[0021]在比0.1torr (13.3Pa)或ltorr (133Pa)更高的壓強(qiáng)下，也就是說(shuō)，當(dāng)?shù)入x子體中的電子的碰撞頻率V達(dá)到微波脈動(dòng)ω的數(shù)量級(jí)時(shí)(V ^ ω)，電子回旋共振變得低效并且對(duì)電子加熱，也就是說(shuō)，微波電場(chǎng)中電子的漸進(jìn)加速例如通過(guò)離開(kāi)施加器立即發(fā)生的碰撞吸收來(lái)完成。
[0022]在該幾帕斯卡以上的更高壓強(qiáng)的該工作模式下，必須通過(guò)使用直接位于施加器出口處的液密介電窗將減小的壓強(qiáng)下的容腔與大氣壓分隔來(lái)避免在同軸施加器內(nèi)產(chǎn)生。
[0023]這一點(diǎn)能夠參照文獻(xiàn)FR 2840451。
[0024]盡管上述文獻(xiàn)的微波施加器有所改進(jìn)，然而所有這些施加器都具有兩個(gè)主要的不足，也就是:
[0025]一方面，加速至電子回旋共振的快電子在各個(gè)壁附近被位于磁極附近的兩個(gè)鏡像點(diǎn)之間的磁場(chǎng)捕獲:等離子體的產(chǎn)生因此被定域在施加器出口處，也就是壁附近；
[0026]另一方面，由快電子產(chǎn)生的等離子體擴(kuò)散到快電子的軌跡的兩側(cè)，也就是垂直于磁場(chǎng)線(xiàn)擴(kuò)散。由于擴(kuò)散到快電子的軌跡的一側(cè)或另一側(cè)的概率是相等的，所以等離子體朝著壁擴(kuò)散的概率和背離壁擴(kuò)散的概率在統(tǒng)計(jì)學(xué)上是相等的。則可以認(rèn)為，快電子產(chǎn)生的半數(shù)等離子體直接在壁上損失，而非填充位于離開(kāi)壁的軌跡之外的有用的等離子體容腔。
[0027]本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)因而是設(shè)計(jì)一種微波同軸施加器，該微波同軸施加器使得可以克服這兩個(gè)不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0028]一種同軸微波施加器被提出用于產(chǎn)生等離子體，包括由中間芯體和外導(dǎo)體組成的導(dǎo)電同軸管，所述外導(dǎo)體圍繞所述中間芯體并且通過(guò)用于傳播微波的環(huán)形容腔與所述中間芯體分隔。
[0029]遵照本發(fā)明，所述施加器包括:
[0030]圓柱形永磁體，其磁化方向平行于所述施加器的軸線(xiàn)，所述圓柱形永磁體位于所述中間芯體的末端；以及
[0031]至少一個(gè)環(huán)形永磁體，其磁化方向平行于所述施加器的軸線(xiàn)并且與上述居中的圓柱形磁體的磁化具有相同方向，所述至少一個(gè)環(huán)形永磁體位于所述外導(dǎo)體的末端，
[0032]位于所述同軸管的末端處的全部磁體具有相同的磁化方向，
[0033]所述磁體的磁化強(qiáng)度被選擇以形成一磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)適于在遠(yuǎn)離施加器的末端的區(qū)域內(nèi)提供與所述施加器生成的微波電場(chǎng)耦合的電子回旋共振，
[0034]所述環(huán)形磁體的外半徑和磁化也被選擇以使得所述磁體生成的磁場(chǎng)線(xiàn)在與所述施加器的軸線(xiàn)基本平行的方向上穿過(guò)所述電子回旋共振耦合區(qū)域。
[0035]將出口空間空閑的新的施加器還使得，不但可以在低壓下由電子回旋共振產(chǎn)生等離子體，而且在高壓情況時(shí)(此時(shí)，磁場(chǎng)變得遠(yuǎn)沒(méi)有效果)在例如碰撞吸收類(lèi)型的耦合條件下產(chǎn)生等離子體。
[0036]電子回旋共振所指的是這樣的情況:位于施加器的末端處的永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)度Btl使得質(zhì)量為m e、電荷量為-e的電子在所述磁場(chǎng)中的回轉(zhuǎn)頻率等于微波電場(chǎng)的頻率fo，因此:
[0037]f0= eB 0/2 π me (I)
[0038]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述環(huán)形磁體的所述外半徑為所述用于傳播微波的環(huán)形容腔的外半徑的至少兩倍。
[0039]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，圍繞被稱(chēng)為第一環(huán)形永磁體的所述環(huán)形磁體，所述施加器包括軸向磁化方向與所述中間圓柱形磁體的磁化方向一致的第二環(huán)形永磁體，所述第二環(huán)形磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度大于所述第一環(huán)形磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
[0040]所述第一環(huán)形磁體和第二環(huán)形磁體由相同磁材料制成，所述第二環(huán)形磁體的軸向長(zhǎng)度大于所述第一環(huán)形磁體的軸向長(zhǎng)度。
[0041]替代性地，所述第一環(huán)形磁體和第二環(huán)形磁體具有相同的軸向長(zhǎng)度，并且所述第二環(huán)形磁體的材料具有比所述第一環(huán)形磁體的材料更大的磁化強(qiáng)度。
[0042]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述施加器包括肩部，所述肩部覆蓋所述環(huán)形磁體的末端的外區(qū)域以在徑向上對(duì)所述電子回旋共振耦合區(qū)域的表面加以限制。
[0043]所述同軸管的所述中間芯體和/或所述外導(dǎo)體還包括用于使冷卻流體進(jìn)行循環(huán)的回路。
[0044]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，在所述施加器的末端處使用由介電材料制成的窗口來(lái)對(duì)所述用于傳播微波的環(huán)形容腔進(jìn)行密封。
[0045]根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，在所述施加器的末端的上游使用由介電材料制成的窗口來(lái)對(duì)所述用于傳播微波的環(huán)形容腔進(jìn)行密封。
[0046]有利的，所述用于傳播微波的環(huán)形容腔適于使介電冷卻流體進(jìn)行循環(huán)。
[0047]另一目的涉及一種等離子產(chǎn)生設(shè)備，包括含有等離子氣體的外殼以及至少一個(gè)如上所述的施加器，所述施加器的支承所述圓柱形永磁體和環(huán)形永磁體的末端通入所述外殼。
[0048]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述設(shè)備包括分布在所述外殼內(nèi)以形成一維、二維或三維陣列的多個(gè)施加器。
[0049]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，全部所述施加器的所述永磁體具有相同的磁化方向。
[0050]在該情況下，所述施加器陣列有利地被磁結(jié)構(gòu)包圍，所述磁結(jié)構(gòu)的磁化方向與所述施加器的磁化方向平行但方向相反。
[0051 ] 替代性地，所述施加器陣列被濺射磁控管結(jié)構(gòu)包圍。
[0052]根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，全部所述施加器的所述永磁體具有從一個(gè)施加器到另一施加器交變的磁化方向。
[0053]較優(yōu)地，所述外殼內(nèi)的絕對(duì)壓強(qiáng)介于KT2Pa至13Pa之間。
[0054]另一目的涉及一種在含有等離子氣體的外殼中使用微波來(lái)產(chǎn)生等離子體的方法，所述方法包括:在通入所述外殼的如之前所述的同軸微波施加器中傳播微波，以及在所述施加器的末端處施加一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)能夠在遠(yuǎn)離所述施加器的末端的區(qū)域內(nèi)提供與微波電場(chǎng)耦合的電子回旋共振，所述磁場(chǎng)的磁感線(xiàn)在基本平行于所述施加器的軸線(xiàn)的方向上穿過(guò)所述電子回旋共振耦合區(qū)域。
[0055]所述外殼內(nèi)的絕對(duì)壓強(qiáng)介于KT2Pa至13Pa之間。
[0056]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，所述外殼中的絕對(duì)壓強(qiáng)小于133Pa，較優(yōu)地小于IPa，更優(yōu)地小于 0.1Pa0
[0057]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，等離子體借助于分布在所述外殼內(nèi)以形成一維、二維或三維陣列的多個(gè)施加器產(chǎn)生。
[0058]有利地，通過(guò)使冷卻流體在所述施加器的所述中間芯體中或者微波傳播容腔中循環(huán)來(lái)冷卻所述施加器。
[0059]較優(yōu)地，在所述施加器的末端處或所述施加器的末端的上游使用液密介電窗口來(lái)對(duì)所述用于傳播微波的環(huán)形容腔進(jìn)行密封。
【附圖說(shuō)明】
[0060]參照附圖并根據(jù)以下詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將顯現(xiàn)出來(lái)，在附圖中:
[0061]圖