用于產(chǎn)生等離子體的表面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)生等離子體的表面波施加器，以及用于產(chǎn)生表面波等離子體的設(shè)備和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]表面波等離子體是一種高頻等離子體(HF，也就是頻率介于IMHz或以下至大于1GHz之間[1])，其中，等離子體由沿著與等離子體接觸的介電管傳播的電磁波(特別是射頻或微波)來維持。
[0003]M.Moisan等人的文章[2]提供了該領(lǐng)域中的參考書目的深度回顧。
[0004]根據(jù)情況的不同，等離子體能夠生成于介電管的外部或內(nèi)部，又或者介電管的內(nèi)部和外部。
[0005]在該技術(shù)中，等離子體和介電管構(gòu)成了沿著傳播區(qū)域生成等離子體的微波的傳播介質(zhì)。
[0006]電磁微波場被稱為表面場，因?yàn)閳龅膹?qiáng)度在介電管和等離子體之間的界面處最大。
[0007]通常情況下，表面波等離子體產(chǎn)生于沒有靜磁場的情況下，除非是在低壓下，此時(shí)可施加軸向磁場(即在介電管的方向上)以提高對等離子體的徑向限制和/或在電子回旋共振中產(chǎn)生等離子體的激發(fā)。
[0008]通常情況下，如圖1中所示意性地示出的，生成自發(fā)射間隙場施加器的表面電磁波在介電管中產(chǎn)生表面波等離子體。
[0009]圖1示出了包含等離子體4的介電管3的一半的剖視圖。
[0010]軸線X是管3的回轉(zhuǎn)軸線。
[0011]管的周圍布置有導(dǎo)電的元件2a、2b，在此配置中，元件2a、2b具有與介電管3分別平行和垂直的主表面。
[0012]而且，元件2a和2b遠(yuǎn)離間隙G，間隙G的寬度大約為幾毫米。
[0013]表面電磁波W生成于間隙G。
[0014]在導(dǎo)電元件2a和2b的表面處，電場僅僅具有徑向分量。也就是說，在圖1中所示的情況下，電場垂直于導(dǎo)電元件2a的表面以及導(dǎo)電元件2b的厚度。
[0015]電磁波W因而沿垂直于間隙的方向并且在間隙G的軸線(垂直于介電管I的軸線X)兩側(cè)大體對稱地(波Wl和W2)傳播。
[0016]允許在介電管中發(fā)射表面電磁波的各種設(shè)備或施加器已經(jīng)被提出。
[0017]在這些設(shè)備中，介電管穿過箱體(施加器則被稱為“同軸型表面波等離子體發(fā)生器(surfatron) ”)或波導(dǎo)管(施加器則被稱為“波導(dǎo)型表面波等離子體發(fā)生器(surfaguide) ”)，波導(dǎo)管允許將微波電場施加到介電管，微波電場能夠沿著該微波電場產(chǎn)生的等離子體傳播。
[0018]圖2A示出了同軸型表面波等離子體發(fā)生器的示例；圖2B示出了波導(dǎo)型表面波等離子體發(fā)生器的示例。這兩個(gè)圖來自[3]。
[0019]圖2A的同軸型表面波等離子體發(fā)生器是由導(dǎo)電壁2b封閉的圓柱形箱體。
[0020]垂直于導(dǎo)電壁2b的介電管3在整個(gè)長度上都具有軸向?qū)щ姉l2a。
[0021]介電管3位于圓柱形箱體內(nèi)部，在介電管3的末端和導(dǎo)電壁2a之間設(shè)置有間隙G。
[0022]電磁功率的引入由附圖標(biāo)記P示意性示出。
[0023]圖2B的波導(dǎo)型表面波等離子體發(fā)生器包括波導(dǎo)管GO，介電管3垂直穿過波導(dǎo)管GO，在波導(dǎo)管的壁和介電管之間設(shè)置有發(fā)射間隙G。
[0024]可以發(fā)射方位對稱的表面波(模m = O)的這些設(shè)備中的大多數(shù)或者具有其自身的阻抗匹配裝置(如在同軸型表面波等離子體發(fā)生器的情況下)，又或者具有獨(dú)立的裝置(如在波導(dǎo)型表面波等離子體發(fā)生器的情況下)。
[0025]如圖1中所示，最常見的情況是，表面波關(guān)于間隙對稱。
[0026]圖3示出了等離子體4的電場指向介電管3的外部(介質(zhì)A例如由空氣或電介質(zhì)組成)的徑向和軸向分量隨著徑向方向上從介電管3的軸線Z開始的距離r的變化。
[0027]縱軸示出了以相對單位表示的電磁波的電分量的強(qiáng)度。
[0028]從圖3中看到，電磁波的電分量的軸向分量(虛線)從等離子體4到外部介質(zhì)A是連續(xù)的，而電場的徑向分量(實(shí)線)在介電管3處具有相當(dāng)大的不連續(xù)性。
[0029]然而，當(dāng)前設(shè)備具有一定的不足。
[0030]首先，大多數(shù)表面波施加器(也被稱為發(fā)射器)的設(shè)計(jì)和制造非常復(fù)雜，由此造成相當(dāng)高的成本。
[0031 ] 另一方面，正如在圖2A和2B中能夠看到的，全部的這些施加器與通常使用的介電管的直徑(通常在一厘米左右)相比具有相當(dāng)大的體積。
[0032]該體積是非常不利的，特別是在考慮到多處放電的情況下。
[0033]這些設(shè)備的阻抗匹配系統(tǒng)也昂貴且體積巨大。
[0034]而且，在大多數(shù)施加器中，在沒有諸如反射器之類的附屬設(shè)備時(shí)。(由上游波和下游波)在發(fā)射間隙的兩側(cè)產(chǎn)生等離子體。
[0035]然而，通常情況下希望在這兩個(gè)方向中的僅一個(gè)方向上產(chǎn)生等離子體，這在許多情況下導(dǎo)致了功率損失(因數(shù)達(dá)到2)并因而導(dǎo)致非常不利的能量平衡。
[0036]最后，特定的設(shè)備適于給定的頻率(如在波導(dǎo)型表面波等離子體發(fā)生器的情況下)，其它具有相同配置的設(shè)備僅能夠適用于有限的頻率范圍。
[0037]然而，表面波等離子體可達(dá)到的頻率范圍寬得多，因?yàn)樵擃l率范圍從小于IMHz (射頻RF范圍的起點(diǎn))開始并覆蓋微波范圍直到超過10GHz。
[0038]本發(fā)明的一個(gè)目的是提出一種表面波施加器，該表面波施加器使得以上不足可以被克服。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0039]根據(jù)本發(fā)明提出了一種用于產(chǎn)生等離子的表面波施加器，包括:
[0040]導(dǎo)電同軸組件，由中間芯體和管形外導(dǎo)體組成，所述管形外導(dǎo)體圍繞所述中間芯體并且通過環(huán)形電磁波傳播容腔與所述中間芯體分隔，以及
[0041]介電管，在所述同軸組件的末端被插入電磁波傳播容腔并且以一至少等于所述介電管的外直徑的兩倍的長度從所述施加器的出口平面延伸出，以使得在所述同軸組件中傳播的所述電磁波沿所述介電管的縱向被引入所述介電管的截面，從而沿著所述介電管的內(nèi)壁和/或外壁與等離子氣體接觸的部分產(chǎn)生表面波等離子體。
[0042]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，同軸組件的中間芯體的末端和外導(dǎo)管的末端共面。
[0043]根據(jù)另一實(shí)施例，外導(dǎo)體在中間芯體的末端的平面之外至少部分圍繞介電管。
[0044]根據(jù)另一實(shí)施例，中間芯體在外導(dǎo)體的末端的平面之外至少部分占據(jù)介電管的內(nèi)部容腔。
[0045]在特定優(yōu)勢下，同軸組件還包括阻抗匹配設(shè)備。
[0046]根據(jù)本設(shè)備的一個(gè)有利實(shí)施例，介電管被插入同軸組件的長度被選擇為使等離子體的阻抗與同軸組件的特征阻抗之間的阻抗相匹配。
[0047]而且，同軸組件能夠包括用于使設(shè)置在中間芯體內(nèi)和/或外導(dǎo)體中的冷卻流體進(jìn)行循環(huán)的回路。
[0048]另一方面，介電管能夠包括用于使設(shè)置在所述介電管的內(nèi)部容腔中和/或所述介電管的厚度內(nèi)的冷卻流體進(jìn)行循環(huán)的回路。
[0049]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，施加器進(jìn)一步包括圓柱形永磁體，其磁化方向平行于施加器的軸線，圓柱形永磁體位于中間芯體的末端。
[0050]根據(jù)另一實(shí)施例，施加器還包括:
[0051]圓柱形永磁體，其磁化方向平行于所述施加器的軸線，所述圓柱形永磁體位于所述中間芯體的末端；以及
[0052]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并且與上述居中的圓柱形磁體的磁化一致，所述至少一個(gè)環(huán)形永磁體圍繞所述外導(dǎo)體的末端；
[0053]所述這些磁體的磁化被選擇以形成一磁場，該磁場能夠在遠(yuǎn)離所述施加器的末端的區(qū)域內(nèi)提供與所述施加器生成的微波電場耦合的電子回旋共振；
[0054]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線在與所述施加器的軸線基本平行的方向上經(jīng)過所述電子回旋共振區(qū)域。
[0055]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，施加器包括一圍繞介電管同心延伸的由介電材料制成的限制管，所述限制管被嵌入同軸組件的外電導(dǎo)體。
[0056]另一目的涉及一種表面波等離子體產(chǎn)生設(shè)備，包括:一包含等離子氣體的外殼和至少一個(gè)如上所述的施加器，其中，所述介電管延伸出所述施加器的所述出口平面的內(nèi)壁和/或外壁的一部分與所述等離子氣體接觸。
[0057]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，介電管是密封的并且構(gòu)成所述包含等離子氣體的外殼。
[0058]根據(jù)一個(gè)變型，介電管位于外殼內(nèi)。
[0059]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，外殼包括一圍繞所述介電管同心延伸的由介電材料制成的限制管，所述限制管嵌入在所述施加器的所述同軸組件的所述外電導(dǎo)體中。
[0060]特別有利地，所述限制介質(zhì)的埋入深度等于(2k+l) λ/4，其中，k為整數(shù)，λ為所述電磁波在被插入所述同軸組件的所述介電管內(nèi)傳播的波長，所述波長由公式λ