CN102187743B - 低功率气态等离子体源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种等离子源，该等离子源包括第一杆(3)，该第一杆形成四分之一波长的天线，被至少一个平行的杆环绕，该平行的杆形成耦合器(6、7、8)，且该平行的杆和所述第一杆的长度基本相同，该平行的杆设定成基准电压，所述耦合器杆是呈放射状地均匀地分布在第一杆周围，与第一杆的距离大约在四分之一波长的五分之一到四分之一波长的二十分之一之间。

Description

低功率气态等离子体源
技术领域
本发明涉及一种气态等离子体源，更具体地涉及一种在其中通过高频电磁辐射和低压气体间的相互作用获得等离子体的源。
背景技术
已知的是，通过将电磁辐射施加到低压气体，气体可以被电离且在高频电磁场足够强的区域内形成等离子体。考虑到等离子点火和维持条件(帕邢条件)，通常有必要使用相对大功率的高频源，且通常使用磁控管。磁控管具有能够以合理的成本提供强功率(大约在10到100瓦特的输出功率或更多)的优点，使得很容易获得点火条件。然而，该功率在磁控管和期望产生等离子体的区域间的输送和调节会带来很大的空间和技术的限制，诸如波导件尺寸、冷却***、真空操作等。
而且，使用晶体管振荡器的高频源(在厘米波领域，频率范围为0.4到10GHz)是已知的。广泛用于手机和无线网络(WIFI)通信***领域的这样的源，在当它们的功率低于10瓦特(例如，在0.2到5瓦特范围内)时，目前是低成本的且低批量的。
一旦等离子体源是可用的，这样的源可能有多种应用。例如，它可以有效地作为用于处理安置在非常接近等离子体产生区域的物质的等离子体源。它也可以作为光源。它也可以作为一种从等离子产生区域提取的离子的源。
发明内容
本发明的目的是形成一种等离子体源，该等离子体源避免现有的装置中的至少某些缺点。
本发明的实施方式的更具体的目的是提供一种等离子体源，该等离子体源可以由高频晶体管振荡器激发。
本发明的实施方式的另一目的是形成一种小尺寸的等离子体源。
本发明的实施方式的另一目的是形成一种灵活的等离子体源。
本发明的实施方式的另一目的是形成多个等离子体源，该多个等离子体源可以被组装在面板上以形成大表面面积的等离子体源。
本发明的实施方式的另一目的是形成一种等离子体源，该等离子体源特别适合用于形成光源。
本发明的实施方式的另一目的是形成一种等离子体源，该等离子体源特别适合用于形成离子源。
为实现上述全部或部分目的以及其他目的，本发明的实施方式提供一种等离子体源，该等离子体源包括形成四分之一波长的天线的第一杆，该第一杆由形成耦合器的至少一个平行的杆环绕，该平行的杆具有与第一杆基本相同的长度，且该平行的杆设定成基准电压，形成耦合器的杆放射状围绕第一杆规则地分布，并且与第一杆的距离大约在四分之一波长的一半到四分之一波长的二十分之一。
根据本发明的实施方式，等离子体源与在0.4GHz到10GHz范围内的高频发生器相连，该高频发生器由高频(HF)晶体管振荡器形成。
根据本发明的实施方式，上述等离子体源被应用于光源的形成，其中所述源包括三个耦合器。
根据本发明的实施方式，所述等离子体源由透明的导电壳体包围。
根据本发明的实施方式，所述等离子体源由涂覆有导电网的绝缘壳体包围。
根据本发明的实施方式，上述等离子体源被应用于将基板安置在等离子体存在区内，杆的端部安置在轴向磁场内，所述源被布置成距离所述基板较小距离，该组件被装在根据期望在等离子体中产生的原子种类而选择的真空环境中。
根据本发明的实施方式，上述等离子体源被用于形成离子注入机，包围三个杆的腔室是金属腔室，该腔室包括平行于杆的端部的平面，该平面被刺穿有开口且安置成与加速电极相对。
根据本发明的实施方式，提供一种扩展的等离子体源，其包括并排布置的基础的诸如上述的等离子体源的组件，每一个基础的源和高频晶体管振荡器相连。
根据本发明的实施方式，在扩展的等离子体源中，相同的磁体对相邻的基础的等离子体源施加轴向磁场。
附图说明
在如下结合附图对具体实施方式的非限制性描述中将更详细讨论本发明的前述和其他目的、特征和优点：
图1A、图1B和图1C分别示出根据本发明的实施方式的用作光源的等离子体源的透视图、前视图和沿图1B的线CC的横截面图；
图2A到图2F示出在气体(其内产生等离子体)装在由绝缘材料制成的壳体中的情况下各种等离子体源结构的等势线；
图3A到图3F示出在气体(其内产生等离子体)装在由导电材料制成的壳体中的情况下各种等离子体源结构的等势线；
图4是根据本发明的实施方式的用作等离子体发生器的等离子体源的简化的前视图；
图5是根据本发明的实施方式的用作离子源的等离子体源的简化的前视图；以及
图6A和图6B是根据本发明的实施方式的等离子体源的组件的简化的横截面和俯视图。
具体实施方式
图1A、图1B和图1C示出等离子体源，该等离子体源包括在支撑件1上且在真空壳体内的中央杆3，该中央杆3形成在所考虑的频率(例如频率范围大约为2.4到5.8GHz)下大体四分之一波长的天线。因此，如果频率约为2.4GHz，则波长的1/4(λ/4)的值约为3cm，其对应于杆3的长度。该杆通过区域4与支撑件隔离，且由高频电压UHF激发。杆3由三个等距离且规则分布的杆6、7、8环绕，杆6、7、8的长度大体上与中央杆相同且起耦合器作用。将这三个杆连接到直流基准电压，例如由支撑件1形成的接地层。应注意的是，在图1B的示出中，看不见被安置在杆7的后面的杆8。作为示例，该等离子体源已被示出为安置在透明的壳体9中以形成光源，该透明的壳体9例如由石英形成。
形成耦合器的每一个杆6、7、8和形成天线3的中央杆之间的径向距离比波长的四分之一小，例如，大约比波长的四分之一小5到15倍，优选地大约比波长的四分之一小10倍。因此，在波长的四分之一是3cm的示例中，每一个耦合器杆与形成天线的杆间的径向距离将被选择为例如约3mm。
采用这种结构，能够确认，当形成天线的杆被激发时，在基本由虚线轮廓10(参见图1B和图1C)限定的区域内形成等离子体。等离子体区域靠近杆的与支撑件1相对的端部，且主要地自中央杆3向三个耦合器6、7、8延伸。这表明在区域10内具有一定浓度的高频场。由于场的这种局部特性，对等离子体点火和维持来说可以使用相对低的功率。然而，典型地，为达到等离子体产生条件(帕邢条件)，必须将约为5到15瓦特的高频(HF)功率施加到通常的四分之一波长的辐射天线，这里应确认，在0.5到2瓦特范围内的相对低的功率足够将等离子体点火，其用于小于1瓦特的功率的维持。据估计，对氢气来说，当缺乏磁场时，在2.5mm内的20kV/m的场是典型的点火阈值。
这种结构因此具有显著的优点，即可以通过相对低功率的源(诸如高频晶体管振荡器，目前在手机中使用的类型)激发天线。因此，等离子体源和其激发***可以是小体积和低批量的。尽管这样，在等离子体区域，等离子体非常密集且获得非常明亮的光源。
在作为光源的操作中，可以使用例如氩气/汞或氙气/汞或氘的气体。本发明的该实施方式的优点是，类似于低功耗灯，高频激发源和灯可以不用冷却而操作。
更普遍的是，本发明的目的是一种等离子体产生***，该等离子体产生***包括与一个或多个耦合器相连的四分之一波长的天线，所述耦合器安置成与所述天线相距短距离。
图2A到2F示出在气体(其内产生等离子体)装在由绝缘材料制成的壳体中的情况下各种等离子体源结构的等势线。此外该***被认为是打开的。这样的***是非共振的。考虑的是，与大体上是四分之一波长的天线3相连的结构分别是0、1、2、3、4和8个呈四分之一波长的杆形式的耦合器。考虑的是，当存在耦合器时，耦合器在天线的约四分之一波长的十分之一(λ/40)的径向距离处。一方面，当存在耦合器时，电场被认为位于在耦合器方向上距离天线λ/80的点M1处，另一方面，位于壳体上的点M2处，该壳体用于盛装其中产生等离子体的气体。在该示例中，点M2距离天线的径向距离大约是λ/10。
图2A到图2F对应于在位于与天线和耦合器的端部相距2mm的位置的平面内的横截面图，天线和耦合器中的每一个具有2.5mm的直径和27mm的高度。在每种情况下认为，天线以5瓦特的功率和2.45GHz的频率被激发。
在图2A到图2F的每一个中，已经采用虚线示出为20kV/m的场线，这意味着，在虚线轮廓内，场大于该值。下文的表1表示在每种情况下点M1和M2的场的值(采用kV/m)。
表1  在M1和M2处以kV/m表示的场—绝缘壳体
为具有有效的光源，最大场必须足够高以能够将等离子体点火(在约2.5mm范围内大于20kV/m)，且对于越过M2辐射到壳体外部的场，则尽可能低以遵守电磁辐射标准。
因此，能够确认，采用一个天线和三个耦合器的***是最佳折中之一，只要是在基本由三个耦合器界定的三角形内存在大于20kV/m的强场区域，且另一方面，该电场在壳体内非常低，低于0.3kV/m。另一方面，为形成灯，耦合器必须尽可能少地遮挡光辐射，这就是仅使用三个耦合器时的情况。
图3A到3F示出天线分别连接0、1、2、3、4和8个耦合器的结构。此时，导电区域设置在壳体上，或者形成壳体，或者存在于壳体内。该导电区域优选地接地，类似耦合器。在这种情况下，壳体外部的场是零。这样的***被认为是封闭的且共振的。
附图对应于所施加功率仅1瓦特且频率接近2.45GHz的情况。应注意的是，如果***在三个耦合器的情况下采用该2.45GHz的频率是共振的，则对具有1、2、4和8个耦合器的***来说，采用2.51、2.48、2.42和2.39GHz的频率也分别是共振的。
此外，在图3A到3F中的每一个，已经采用虚线示出20kV/m的场线。所述场甚至比在开放式***的情况下更密集，且点火阈值是1W，甚或是0.2W。
由于上述内容，为形成光源，优选地采用具有中央天线和三个***的耦合器的***，该中央天线和三个***的耦合器相对于施加的高频电压(UHF)都具有大体上四分之一的波长度。优选地，该结构被安置在导电壳体内。因此，为形成光源，优选地使用透明的导电壳体，例如，涂覆透明导电层的石英壳体，透明导电层例如是ITO且设定成地电压。用于接地的***导体，也可以假设是网孔或者不阻碍光的传播的网状物。
然而，在包围等离子体源的壳体是导电性的情况下，这种结论很可能被弱化。实际上，在这种情况下，无论耦合器的数量(≥1)是多少，如果频率与在天线和耦合器大体上具有四分之一波长度的情况下的频率值近似匹配，则将总是发现共振频率非常接近(在10％以内)天线被正常计算的频率。这由本领域技术人员用实验方法通过简单地改变在初始选择的频率附近的频率且无需反复试验即可容易地确定这点。无论耦合器的数量是多少，能够获得与具有三个耦合器的***的情况获得的场相同的场。应提醒，后文将详细说明本发明作为光源、作为直接等离子体源或者作为离子源的应用。实际上，根据应用，具有特定的等离子体形状可能是有利的，例如，由设有大量耦合器或者由环状排列在中央天线周围的直流耦合器获得的大量等离子体。
为简化说明和附图，后文将给出在仅使用三个耦合器的情况下的本发明的应用的示例，但应提醒的是，可以使用任意数量的耦合器，尤其是在***是封闭的***(即采用导电介质包围)的情况下。
如图4所示，以非常简略方式示出的等离子体源可以包括围绕天线3和三个耦合器6、7和8的金属壳体12，且等离子体源可在杆的与支撑件1相对的端部的一侧是敞开的。接着，尤其是如果由磁体***13产生平行于杆的方向的磁场B，则产生延伸超出杆的端部以外的等离子体区域14。这通常用来对位于杆的自由端的前方的基板(未示出)产生作用。
图5非常示意性地示出使用图5的等离子体源来形成离子源。图5的顶部和图4相同。然而，此时，腔在天线3和耦合器6、7、8的端部的一侧被具有开口22的导电板21封闭。加速电极23和24被设置成在射向目标26的束25中提取离子。当然，所述组件是封闭的且填充期望自其中形成离子束的低压气体或气体原子团(gas species)。此外，通常，将用于隔离原子团的单色器例如维恩(Wien)滤质器，***离子束的运动轨迹中，期望采用该原子团轰击目标物。
应注意的是，只要合理地选择各种板的偏压，也可以自等离子体中提取电子束。
根据本发明的实施方式的一方面，如图6A和图6B所示，利用了紧密性和形成扩展的等离子体源所需的低激发功率的优势。
图6A和图6B分别示出大量等离子体单元30并排排列的组件的前视图和底视图，其中每一个单元具有例如图4所示的结构。这些等离子体单元中的每一个与带有晶体管的射频(RF)发生振荡器相连，射频发生振荡器以方块示出且采用附图标记31指示。根据所涉及到的尺寸，有足够的空间将等离子体单元与带有晶体管的射频发生振荡器相连，该带有晶体管的射频振荡器提供1到3瓦特的峰值功率(用于等离子体点火)和大约范围在0.2到0.5瓦特的稳定态功率。该单元面板结构的优点是，用于产生等离子体扩张区域的磁体32可以被布置为用作两个相邻的单元使用的磁体。
作为示例，每一个单元将是直径大约在1.5到2.5cm范围内的圆柱形单元，所述单元布置成间距(step)大约在2到4cm范围内。
当然，获得的扩展的等离子体源可以直接用作等离子体源，或者可以与图5所示类型的加速***相连以形成扩展的离子源，例如在制造半导体器件时用于注入离子。
将特定的激发振荡器与每一个等离子体源的单元相连的优点是：每一个等离子体源的强度能够被精确地设定以使得它们全部相同，或者反之，设定用于获得选定的等离子体密度分布曲线。
尽管，为简化，在图6A和6B中仅示出少量的单元，应注意的是，根据本发明的结构非常适合于铺装大量单元，例如大约100个或者更多。
已经总体上讨论了本发明，但应注意的是，本发明可能有多种变型。尤其地，尽管词语“杆”已被用于指代天线和每一个耦合器，应理解，这些元件中的每一个可以是导电元件或涂覆有导体的元件，且如果它们的机械强度足够强也可以是例如电线。这样的耦合器也可以是具有非圆形横截面的柱形元件以为等离子体区域提供特定的形状，或者具有光反射器的作用。
在本文中，通常使用不同的气体用在等离子体源中以提供光源，例如氙气、氩气、氮气等。在如此使用等离子体源或者等离子体源用作离子源的情况下，能够提供期望的活性原子团(例如PH3、B2H6、SF6、CH4等)的元素将和所述气体结合。
已经描述了本发明的具体实施方式。本领域技术人员将能想到各种变型和修改。特别地，所给的尺寸仅作为示例。

Claims (9)

1.一种等离子体源，其被高频信号激发，该等离子体源包括第一杆(3)，所述第一杆形成四分之一波长的天线，所述第一杆由形成耦合器(6、7、8)的至少一个平行的杆环绕，所述平行的杆具有与所述第一杆基本相同的长度且设定成基准电压，形成耦合器的所述杆放射状地围绕所述第一杆规则地分布，并且与所述第一杆的距离在所述四分之一波长的一半到所述四分之一波长的二十分之一，所述天线和所述耦合器以相同的方向取向。
2.如权利要求1所述的等离子体源，其与0.4GHz到10GHz范围内的高频发生器相连，该高频发生器由高频晶体管振荡器形成。
3.如权利要求1所述的等离子体源，其中，所述等离子体源用于形成光源且包括三个耦合器。
4.如权利要求3所述的等离子体源，其中所述等离子体源由透明的导电壳体包围。
5.如权利要求3所述的等离子体源，其中所述等离子体源由涂覆有导电网的绝缘壳体包围。
6.如权利要求1所述的等离子体源，其中，所述等离子体源用于将基板安置在等离子体存在区内，其中所述第一杆和所述耦合器的端部被安置在轴向磁场内，所述基板位于所述第一杆和所述耦合器的自由端的前方，所述基板和所述等离子体源的组件被装在根据期望在等离子体中产生的原子种类而选择的真空环境中。
7.如权利要求1所述的等离子体源，其中，所述等离子体源用于形成离子注入机，其中包围所述第一杆和所述耦合器的腔室是金属腔室，该腔室包括平行于所述第一杆和所述耦合器的端部的平面，该平面被刺穿有开口且安置成与加速电极相对。
8.一种扩展的等离子体源，其包括并排布置的基础的根据权利要求1所述的等离子体源的组件，每一个基础的等离子体源与高频晶体管振荡器相连。
9.如权利要求8所述的扩展的等离子体源，其中相同的磁体对相邻的基础的等离子体源施加轴向磁场。
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