[发明专利]微波等离子体发生设备和等离子体炬

说明书

技术领域

本发明涉及通过将电磁功率耦合到气体中而产生等离子体的设备。这 样的设备还被称为“等离子体源”。在本说明书中术语“等离子体发生设 备”和“等离子体源”可互换使用。

背景技术

为了使冷等离子体表面处理技术变得流行，需要改善用于通过将电磁 功率耦合到气体中而产生这些等离子体的设备。这些设备或“等离子体源” 必须为：

-简单并廉价；

-适于线性几何并可能地适于非平面几何；以及

-能够在10^-2mbar的量级的基本真空到大气压力或甚至高于大气压力 的压力水平的宽范围内操作。

此外，将来自发生器的电磁功率传送到等离子体的效率必须尽可能地 高，即：

-该操作必须仅仅使由将电磁功率耦合到等离子体的设备的结构的发 热而导致的损失最小；

-到外部的剩余辐射必须是可忽略的(为了安全和不会干扰在相同的 所规定的工业频率附近操作的设备)；以及

-必须仅仅小部分的入射功率被反射回到发生器，即，在功率源线路 与使用该同一功率的等离子体源之间必须具有良好的阻抗匹配。

对于宽范围的操作规程，必须尽可能长地保证后一条件成立，而不必 实时地重新调整。

由甚高频(very high-frequency)(特别地，高于约一百兆赫兹，包 括微波频率)例如434MHz、915MHz、2450MHz和5850MHz(由用于IMS (工业、科学和医学)带的国际规章规定的频率)激发的等离子体由于其 高电子密度而受到特别关注。这意味着在放电中对物理化学过程的更强激 活，特别是以高速率形成在表面处理过程中所涉及的活性物种(active species)。因此该处理更全面和/或更迅速：例如，以薄膜的形式沉积材料 的速度更高，制造产率更令人满意。

在超过几十MHz的极限时，电磁波由于其传播特性而不能像DC或 射频的情况一样地应用于气体以通过连接到功率源电路的电极施加到气体 来产生等离子体。在通过处理腔内部或邻近处理腔的特定构造的传导结构 导引之前，经由中空矩形波导或同轴电缆来从发生器输送微波。该腔必须 允许微波的分布和分布吸收，以产生具有所需特性的足够均匀的等离子体。

微波等离子体发生器设备已经被开发出来，在这些设备中，可特别地 提及下列设备：“双等离子体线路(duo plasmaline)”系统(E.Rauschle et al.，J.de Physique IV(8)，PR7，99(1998))；二维缝槽式天线施加器 (slotted-antenna applicator)(H.Sugai，Plasma Fusion Research 72，621 (1996)和H.Sugai et al.，Plasma Sources Science and Technology 7，192 (1998))；用于分析应用的微带(microstrip)场施加器源(A.M.Bilgic et al.，Plasma Sources Science and Technology 9，1-4(2000))；电子回旋 共振系统；以及多偶极磁控管系统。

然而，所有这些设备具有复杂的构造且制造昂贵。此外，他们还依赖 于等离子体处理反应器的给定的配置和尺寸。

特别地，关于Bilgic等人的团队的研究，在上面提到了他们的出版物 之一(读者还可以参考文件DE-198 51 628和US 2003/008086)，这些文 件涉及微带系统的使用。然而，对于这些研究，应该清楚地注意到，所关 注的源具有非常小的尺寸并希望在毛细管通道(具有约1mm²的截面)中 在氩中以低的功率(约10W)在大气压力下维持等离子体，其中该毛细管 通道通过在矩形截面的硅石(silica)棒中沿轴向钻孔形成。横截面非常小 的等离子体通道完全位于微带传输线路中。在该工作中并没有提及将该系 统扩展到二维和三维的可能性，因此难以想象将这样的结构用于大面积连 续处理的可能性。

如稍后借助于比较图而更详细描述的，Bilgic等人描述的系统在电介 质的背面上采用保持接地的连续传导性面，该解决方案具有缺点，其中的 一些缺点为：

-向等离子体的耦合更确切地为共振类型，这最好要加以避免，因为这 样难以实现阻抗匹配并且在实际的实践应用情况下通常是不可忍受的限 制；以及