[发明专利]用于高真空室的穿入式等离子体发生器

说明书

技术领域

所公开的技术一般性涉及等离子体发生器，并且尤其涉及用于在高真空室内生成用以在靶上均匀分布的等离子体的方法及系统。

背景技术

变压器型等离子管是指使用变压器中所采用的物理原理来生成等离子体的等离子管或等离子发生器。变压器型等离子管为本领域所公知。变压器是一种通过感应耦合导体将电能(交流电流(AC)及电压对)从第一电路传送至第二电路的电子器件。所述第一电路可被称为输入对，而所述第二电路则被称为输出对。一般而言，变压器包括高磁导率磁性材料的芯体，该芯体在一侧盘绕有被称为初级绕组的输入导体，并在另一侧盘绕有被称为次级绕组的输出导体。每个导体，也即初级绕组和次级绕组，都必须形成一个闭合路径或回路。

变压器的操作模式是基于法拉第感应定律。所述输入导体供应有交流电流，其在所述高磁导率磁性材料的芯体中感应产生交变磁场，由此磁化所述芯体材料。经过磁化的芯体随后在所述输出导体中感应产生电场。除了由磁体材料中发热引起的一小部分能量损耗之外，输入导体所输入的交流电流功率大体上等于输出导体的输出功率。一般而言，输出导体的电流和电压与初级绕组和次级绕组中每个的匝数成比例。例如，随着初级绕组的匝数增加，会引起次级绕组中的电流增加以及电压减小。

等离子体是指一种气体的加热状态，有时被称为第四态或第四类物质，在该状态下电子能够离开各原子和分子，从而成为在宏观空间中运动的自由电子。因此，所述原子和分子会转变成离子，也即带电粒子。在将所述自由电子置于电场内的情况下，这些自由电子能够获得动能，撞击其他原子和分子，并从那些原子和分子中撞出或逐出电子。自由电子能够使得原子或分子中的电子被逐出，从而形成新的离子。自由电子还能够将核心轨道电子撞入外轨，从而形成受激原子。自由电子还能够破坏分子中的化学键，从而形成两个游离基(即两个化学活性种)。这样，其他那些原子和分子随后会转变成离子、游离基(radical)、离子-游离基以及其他带电粒子。此外，自由电子能够与离子重组，从而共灭(co-annihilating)。由于等离子体包括在电场中运动的带电粒子，所以等离子体为电导体。在等离子体发生器的技术领域中，自由电子和离子(也即电荷载子)能够在其中运动及行进的宏观空间被称为放电室(discharge chamber，这里缩写为DCh)。由于等离子体可能包括自由基(free radical)、受激原子和离子化粒子，所以可将这些组成等离子体的各种粒子统称为等离子体组分(plasma constituent)。等离子体能够以多种方式划分。一种划分是基于维持等离子体的电场电压来进行。冷等离子体是指维持在低电压电场(例如在大约0.1-10volts/cm之间)下的等离子体。这种冷等离子体可由下文所详述的变压器型等离子管来产生。通常，产生这种冷等离子体的DCh内的压强范围是在0.01-1000帕斯卡(pascal，这里缩写为Pa)之间，这被认为属于低真空范围。一般而言，在高真空范围(例如在1×10^-6-1×10^-2Pa之间)以及极低真空(也即高压强)范围(例如，在1000Pa以上)中，等离子体被维持在高压电场下。维持等离子体所处的电场决定了等离子体不同组分的部分分数(partial fraction)以及等离子体的密度。较高的电场感应产生高等离子体密度以及高离子-游离基分数(ion to radical fraction)，而较低的电场则感应产生低等离子体密度以及低离子-游离基分数。一般而言，可将DCh压强确定为使维持等离子体所需的电场电压最低。在该压强下，等离子体中的游离基-离子分数将是最大的。