CN104411082B - 等离子源***和等离子生成方法 - Google Patents

Abstract

一种等离子源***和等离子生成方法，该***包括用于输送待反应气体的管道传输装置、环形的磁场产生装置、电位可调的透磁导电的直流偏压装置以及具有圆柱形腔体的等离子反应装置，所述磁场产生装置和等离子反应装置的中轴线重合，在所述圆柱形腔体内形成强电场，所述等离子反应装置远离所述直流偏压装置的一端为开口，所述磁场产生装置和等离子反应装置在该开口处形成发散型磁场。由电磁波提供能量，通过合理的设计外加磁场，产生一种准中性的高能等离子束流；在等离子反应装置的出口处获得一个发散型磁场结构，能够将离子和电子同时喷出，在得到高能离子束流的同时可以保证束流的准中性，从而省却了阴极电子源的结构，在降低成本简化结构的同时。

Description

等离子源***和等离子生成方法

技术领域

本发明涉及等离子源技术，特别是涉及一种直等离子源***和等离子生成方法。

背景技术

等离子源可以产生活性粒子或者基团，能够用作离子辅助溅射沉积和类金刚石沉积。所产生的高能离子束流的两个比较重要的要素是：离子能量和离子束流的大小。根据不同的工艺需求，所需要的离子能量大小和离子束流大小各有不同。传统的等离子源在通过调节放电阳极的电压和电流大小来调节离子能量和离子束流，往往会同时改变两者的值，这给工艺摸索带来很大的困扰。

另外，传统的离子源还需要外加一个阴极电子源来中和离子束流，从而保证束流的均匀性，是所要沉积的不导电材料避免由于电荷积累所带来的放电损害，阴极电子源很脆弱，往往需要经常更换，而有的热丝阴极会带来阴极污染，降低成膜质量。

等离子技术可以用作合成新材料，比如利用等离子源进行化学气相沉积(CVD)或者物理气相沉积(PVD)；也可以用来处理材料，比如利用等离子对材料进行等离子刻蚀干法处理，利用等离子对材料表面进行清洗，以及对材料进行表面活化等。不同的应用对等离子源的技术要求也不一样。

目前的等离子技术中，用作材料表面处理的比较典型的离子源为霍尔离子源(endhall plasma source)，这种离子源利用霍尔效应产生和引出离子束，可以在真空镀膜过程中对基底材料进行离子轰击清洁及沉积过程中离子轰击能量输送，广泛应用于：增透膜、眼镜镀膜、光纤光学、高反镜、热冷反光镜、低漂移滤波器、低通滤波器、在线清洗、类金刚石沉积等。能够改善薄膜的生长、优化薄膜结构，增强镀膜的一致性和重复性，低温高速率镀膜，清除工件表面水和碳氢化合物，增强薄膜密度，降低内应力，清洁结合力弱的分子，增强反应气体活度，从而使得薄膜成分易于控制。

这种霍尔离子源的结构，霍尔离子源由放电阳极，阴极灯丝，磁铁组成。气体由阳极底部进入放电区内参与放电，放电区内由磁铁产生锥形磁场，在放电区的上部安装有阴极灯丝。根据需要，离子源的工作气体为氩气，反应气体可以使用氧气、氮气和碳氢等多种气体。放电区上部阴极灯丝加热后产生热电子，当离子源的阳极施以正电位时，电子在电场的作用下向阳极运动，由于磁场的作用存在，电子绕磁力线以螺旋轨道前进，与工作或反应气体的原子发生碰撞使其离化。离子在霍尔电场的作用下被加速获得相应的能量，与灯丝阴极发射的部分热电子形成近等离子体，由等离子体源发射出来与基片发生作用达到清洗和辅助镀膜的目的。阴极灯丝发射的电子有两个作用：第一，向放电区提供电子，第二，补偿离子束的空间电荷，改善霍尔源所发射的离子束为一定程度补偿的等离子束。

上面提到的这些离子源的寿命和性能主要受到热阴极灯丝或空心阴极电子源的限制。热阴极灯丝或空心阴极电子源用来提供等离子电离所需要的初始电子，以及中和正离子束流所需的负电子束，空心阴极电子源通过加热热阴极材料向外散射电子产生电子束流，这些热阴极材料很脆弱，极易因为受到离子束流的侵蚀污染而失效，因此寿命难以提高；并且增加了***的复杂性，同时也降低了***的可靠性。由于不同的工艺需要，在调节离子能量的时候会同时改变离子束流大小，这使得调节工艺非常复杂繁琐。

发明内容

基于此，有必要提供一种可以不使用热阴极灯丝或空心阴极电子源，并且可以将离子能量以及离子束流大小分开控制的等离子源***。

一种等离子源***，包括用于输送待反应气体的管道传输装置、环形的磁场产生装置、电位可调的透磁导电的直流偏压装置以及具有圆柱形腔体的等离子反应装置，所述磁场产生装置和等离子反应装置的中轴线重合，在所述圆柱形腔体内形成强电场，所述管道传输装置穿过所述直流偏压装置的中心，且所述管道传输装置输出口的中轴线与所述圆柱形腔体的中轴线重合，所述等离子反应装置远离所述直流偏压装置的一端为开口，且所述磁场产生装置和等离子反应装置在该开口处形成发散型磁场。

此外，还提供了一种等离子生成方法，该方法基于上述的等离子源***执行，该方法包括：

将待反应气体通过所述管道传输装置输送至所述等离子反应装置；

所述磁场产生装置和等离子反应装置上电，在所述圆柱形腔体内由驻波效应形成强电场；

待反应气体在该强电场的作用下被击穿，形成准中性的等离子体；

该等离子体在所述发散型磁场的作用下向外喷出准中性离子束流；

其中，电位可调的所述直流偏压装置通过所述等离子体与离子束流电接触，从而调节电位以控制离子束流内部的离子能量。

上述等离子源***由电磁波提供能量，通过合理的设计外加磁场，在外加磁场产生装置的作用下可以产生一种准中性的高能等离子束流；在等离子反应装置的出口处获得一个发散型磁场结构，这个发散型磁场结构充当了虚拟喷管的作用，能够将离子和电子同时喷出，在得到高能离子束流的同时可以保证束流的准中性，从而省却了阴极电子源的结构，在降低成本简化结构的同时，还避免了阴极带来的污染。通过添加直流偏压装置来控制离子能量的大小，这样可以将离子能量和离子束流大小的调节隔离开，从而大大的缩短工艺摸索的时间，提供研发和生产的效率。所产生的高能离子束流可以用在比如材料表面清洗，材料表面刻蚀，材料表面改性等材料处理领域以及航天电推进上。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例中等离子源***的截面结构示意图；

图2为本发明另一较佳实施例中等离子源***的截面结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

电磁波传输的原理：电磁波在电源内产生后，经过匹配器的调节，使得反射回电源的能量达到最小，在匹配网络上形成驻波模式。在射频线圈的位置，电磁波在放电腔内部存在震荡的磁场和震荡的电势，这种震荡的电势可以用来加速自由电子，从而为击穿气体准备高能电子。而在气体被击穿以后，等离子形成稳定放电，则会改变整体的匹配网络的条件，需要重新调节匹配器。

等离子产生的原理：当形成谐振的电磁波电场强度超过气体击穿的阈值以后，通入工作气体将会被电磁波电场击穿，经过带电粒子的输运以后，形成稳定的等离子，此时气体的电离效率与电子的有效扩散长度有关，外部轴向磁场的存在，在径向上约束了电子的扩散，增大了电子的有效扩散长度，从而提高了气体的电离率和利用效率，进而提高了***的效率。

请参阅图1及图2，本发明较佳实施例中等离子源***包括用于输送待反应气体的管道传输装置110、环形的磁场产生装置120、电位可调的透磁导电的直流偏压装置130以及具有圆柱形腔体的等离子反应装置140，所述磁场产生装置120和等离子反应装置140的中轴线重合，在所述圆柱形腔体内形成强电场150，所述管道传输装置110穿过所述直流偏压装置130的中心，且所述管道传输装置110输出口的中轴线与所述圆柱形腔体的中轴线重合，所述等离子反应装置140远离所述直流偏压装置130的一端为开口，且所述磁场产生装置120和等离子反应装置140在该开口处形成发散型磁场160。发散型磁场160充当了虚拟喷管的作用，能够将离子和电子同时喷出。

所述管道传输装置110包括用于与存储所述待反应气体的高压储气罐200管道连接的阀门***112及与该阀门***112连接的气体传输管路114，所述气体传输管路112的轴线穿过和所述直流偏压装置130的中心，且所述气体传输管路112中轴线与所述圆柱形腔体的中轴线重合。

在一个实施例中，参考图1，所述磁场产生装置120和等离子反应装置140分别设置于所述磁场产生装置120的相对两侧。在另一个实施例中，参阅图2，所述磁场产生装置120套设于所述等离子反应装置140外侧。

请结合图1和图2，磁场产生装置120包括均为中空的第一环形磁铁122和第二环形磁铁124，所述第一环形磁铁122的内径比所述第二环形磁铁124的内径小，所述第二环形磁铁124位于所述直流偏压装置130与所述第一环形磁铁122之间。本实施例中，所述第一环形磁铁122和所述第二环形磁铁124为电磁铁或永磁铁，以保证得到在等离子反应装置140的出口处磁场为发散型磁场为准，可以工作在1毫托至100托的气压范围内。磁场产生装置120为一大一小环形电磁铁或者永磁铁构成，确保在等离子反应装置140的轴线上是轴对称的，并且在等离子反应装置140出口以后为扩散型磁场结构，形成虚拟喷管。

所述直流偏压装置130包括偏压法兰132和与该偏压法兰132电连接的直流偏压电源134，该直流偏压电源134电位可调。所述偏压法兰132由熔点高于1000℃以上的透磁导电材料制成，如铜。

进一步地，气体传输管路112的轴线穿过和偏压法兰132的中心，两者之间的固定连接为非电连接。另外，第二环形磁铁124位于偏压法兰132与所述第一环形磁铁122之间。

等离子反应装置140包括具有所述圆柱形腔体的等离子反应腔142、缠绕于所述等离子反应腔142的外侧的射频线圈144、与该射频线圈144电连接的射频匹配网络146以及为该射频匹配网络146供电的射频电源148，所述等离子反应腔142的一端与所述直流偏压装置130中的偏压法兰132固定连接，另一端为开口。本实施例中，所述等离子反应腔142为耐高温耐侵蚀的介质制成，该介质的熔点温度为700℃以上。如，所述等离子反应腔142为石英管、派瑞斯管、陶瓷制成的管道或氮化硼制成的管道。

进一步地，参考图2，所述磁场产生装置120的第一环形磁铁122和第二环形磁铁124是套设于所述等离子反应装置140等离子反应腔142的外侧。

射频电源144的电磁波的电信号经过射频匹配网络146传输到等离子反应腔142，并在位于等离子反应腔142的位置有最大电场值，当待发送气体(如：氩气或者氧气)通过管道传输装置110到达等等离子反应腔142时，这个电场会将气体击穿，从而形成等离子体，等离子体在磁场的作用下会提高电离效率，同时等离子中的电子和离子在磁场所形成的虚拟喷管位置膨胀，离子得到加速产生高能离子，电子会沿着磁力线向外运动，电子和离子同时喷出形成准中性束流。当改变后置直流偏压的电位时，可以同时改变和控制得到的离子束流中的离子能量水平，从而满足不同工艺的需求。电磁波可以使微波也可以使射频波，区别仅在于馈入谐振腔的方式不同，微波电磁波的馈入方式是依靠同轴天线，在非铁的等离子反应腔142内形成谐振，电场叠加放大，从而击穿气体产生等离子，而射频电磁波是依靠传输带天线，并且是以缠绕的方式耦合在等离子反应腔142上。

一种等离子生成方法，该方法基于上述的等离子源***执行，该方法包括：

步骤一：将待反应气体通过所述管道传输装置110输送至所述等离子反应装置140。(1)待反应气体通入等离子反应腔142，气体可以为氩气或者氧气或者氙气或者各种镀膜所需气体，或者为航天电推进所需的工作气体；气体在等离子反应腔142内形成一定的压强，该压强大小由通入气体的流量大小和放电腔的开口大小以及放电腔的直径及长度有关。

步骤二：所述磁场产生装置120和等离子反应装置140上电，在所述圆柱形腔体内由驻波效应形成强电场。射频电源148发出的电磁波经过射频匹配146和射频线圈(天线)144引入到等离子反应腔142内，由驻波效应形成强电场，该电场大小以可以击穿中引入的工作气体为准。

步骤三：待反应气体在该强电场的作用下被击穿，形成准中性的等离子体；

步骤四：该等离子体在所述发散型磁场(虚拟磁喷管)160的作用下向外喷出准中性离子束流。在虚拟磁喷管处，电子将自身的能量转化为离子的动能，从而得到高能离子束流。离子能量的范围可以为10eV-400eV。

其中，电位可调的所述直流偏压装置130通过所述等离子体与离子束流电接触，从而调节电位以控制离子束流内部的离子能量。

等离子在发散磁场形成的虚拟磁喷管中电子能量直接转化为离子的能量，从形成向外高速喷出的离子束流；等离子与后置直流偏压装置130连接，所得到的离子束流中的离子能量直接受到直流偏压的控制。

相对于现有的等离子源的设计方法，本发明使用电磁波的电场产生等离子，属于无源等离子，不需要金属电极(不需要空心阴极电子源提供初始电子)，与现有离子源相比，简化了离子源***结构，提高了稳定性和可靠性以及***使用寿命。

本发明使用了磁场的轴向分量来约束等离子源内的电子，从而提高了气体的电离效率，提高了气体的利用效率和整体的离子束产生效率，发散的磁场位型形成虚拟的拉法尔喷管来控制和加速带电粒子，使得电子和离子都能够被喷出腔体从而产生等离子束的同时保持了***的电中性(不再需要额外的电子源中和器提供电子束)，与现有离子推力器***相比，推力***大大简化，可以提高***的稳定性和可靠性，以及***的寿命，从而使得等离子束流的离子能量水平达到镀膜工艺的要求。

与电热式微波等离子源相比，本发明使用的是低气压放电，并且由于有轴向磁场的约束，增大了电子的有效扩散长度，因此气体的电离效率、利用效率、束流离子能量都得到很大的提高。

与霍尔离子推力器不同的是，霍尔离子推力器采用的是完全径向磁场(也叫磁障)来过滤电子，使得电子始终在一个封闭的角向漂移通道内，因此电子是不能被喷出腔体的,而本发明等离子束的产生是依靠虚拟拉法尔喷管的发散磁场的径向分量与带电粒子之间的洛伦兹效应产生，但是同时还存在发散磁场的轴向分量，此轴向分量可以保证电子沿着轴向等离子反应腔体外部运动，从而实现电子和离子的同时引出。

与现有的霍尔离子源不同的是，霍尔离子源需要改变阳极电流才能改变离子能量，这同时也会改变所得到的离子束流大小，给工艺调节带来困难，而本发明则仅使用后置直流偏压大小来控制离子束流中的离子能量水平，而不会同时影响输出的离子束流大小。

经过理论物理模型分析，本发明的等离子束流产生是与等离子源***的横截面以及磁场的径向分量强度及电子温度有关的。磁场分布经过有限元计算得到，等离子分布经过模型计算得到，推力经过理论计算和实验得到。实验结果与理论分析规律吻合，本发明设计完全可行，可用于低压材料处理，清洗、表面活化，科学卫星，小卫星以及深空探测器的推进器等等先进工业领域。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种等离子源***，其特征在于，包括用于输送待反应气体的管道传输装置、环形的磁场产生装置、电位可调的透磁导电的直流偏压装置以及具有圆柱形腔体的等离子反应装置，所述磁场产生装置和等离子反应装置的中轴线重合，在所述圆柱形腔体内形成强电场，所述管道传输装置穿过所述直流偏压装置的中心，且所述管道传输装置输出口的中轴线与所述圆柱形腔体的中轴线重合，所述等离子反应装置远离所述直流偏压装置的一端为开口，且所述磁场产生装置和等离子反应装置在该开口处形成发散型磁场；所述直流偏压装置通过等离子体与离子束流电接触，从而调节电位以控制离子束流内部的离子能量。

2.根据权利要求1所述的等离子源***，其特征在于，所述直流偏压装置包括偏压法兰和与该偏压法兰电连接的直流偏压电源，该直流偏压电源电位可调。

3.根据权利要求2所述的等离子源***，其特征在于，所述偏压法兰由熔点高于1000℃以上的透磁导电材料制成。

4.根据权利要求1、2或3所述的等离子源***，其特征在于，所述磁场产生装置和等离子反应装置分别设置于所述磁场产生装置的相对两侧，或所述磁场产生装置套设于所述等离子反应装置外侧。

5.根据权利要求4所述的等离子源***，其特征在于，所述磁场产生装置包括均为中空的第一环形磁铁和第二环形磁铁，所述第一环形磁铁的内径比所述第二环形磁铁的内径小，所述第二环形磁铁位于所述直流偏压装置与所述第一环形磁铁之间。

6.根据权利要求5所述的等离子源***，其特征在于，所述第一环形磁铁和所述第二环形磁铁为电磁铁或永磁铁。

7.根据权利要求1、2或3所述的等离子源***，其特征在于，所述等离子反应装置包括具有所述圆柱形腔体的等离子反应腔、缠绕于所述等离子反应腔的外侧的射频线圈以及向该射频线圈供电的射频电源，所述等离子反应腔的一端与所述直流偏压装置固定连接，另一端为开口。

8.根据权利要求7所述的等离子源***，其特征在于，所述等离子反应腔为耐高温耐侵蚀的介质制成，该介质的熔点温度为700℃以上。

9.根据权利要求7所述的等离子源***，其特征在于，所述等离子反应腔为石英管、派瑞斯管、陶瓷制成的管道或氮化硼制成的管道。

10.根据权利要求5所述的等离子源***，其特征在于，所述管道传输装置包括用于与存储所述待反应气体的高压储气罐连接的阀门***及与该阀门***连接的气体传输管路，所述气体传输管路的轴线穿过和所述直流偏压装置的中心，且所述气体传输管路中轴线与所述圆柱形腔体的中轴线重合。

11.一种等离子生成方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至10任一项所述的等离子源***执行，该方法包括：

将待反应气体通过所述管道传输装置输送至所述等离子反应装置；

所述磁场产生装置和等离子反应装置上电，在所述圆柱形腔体内由驻波效应形成强电场；

待反应气体在该强电场的作用下被击穿，形成准中性的等离子体；

该等离子体在所述发散型磁场的作用下向外喷出准中性离子束流；

其中，电位可调的所述直流偏压装置通过所述等离子体与离子束流电接触，从而调节电位以控制离子束流内部的离子能量。