一种低气压大面积、高密度等离子体产生装置及产生方法与流程

本发明涉及等离子体技术，尤其涉及一种低气压大面积、高密度等离子体产生装置及产生方法。

背景技术：

等离子体技术在工业化应用如材料表面改性、半导体设备制造、环境保护等方面已经得到了广泛的应用。近年来，其在目标隐身、雷达通讯等军事航空方面展现的应用价值，使之成为等离子体技术应用领域的新热点。

介质阻挡放电，其结构特征之一是至少有一个电极被绝缘介质层覆盖，绝缘介质限制电流的自由增长，阻止放电向火花放电或弧光放电过渡，是一种典型的非平衡态气体放电，放电比较稳定，并且产生的等离子体温度、密度适中，目前被广泛的应用于臭氧合成、材料表面改性、飞行器减阻以及废气处理等领域。

在过去的几十年中，容性耦合等离子体已经广泛的应用于薄膜的刻蚀与沉积。容性耦合等离子体是由两个平行板电极构成的，其中电极半径一般为r0～0.2m，电极间距为l～(3～5)cm，并在电极上施加一个射频电源，典型的射频放电频率为13.56mhz，可以在两个电极之间产生等离子体。

双频容性耦合等离子体是在单频容性耦合等离子体基础上发展起来的一种新型等离子体源。其采用一个高频电源和一个低频电源共同驱动等离子体，克服了单频容性耦合放电中到达基片上离子的通量和能量不能独立控制的限制。两个不同频率的电源可以连接到同一个电极上，也可以连接到不同的电极上。根据kim等人对双频容性耦合等离子体的模拟结果，高频电源功率控制等离子体的密度，低频电源功率决定离子的能量。

射频放电气压一般在mtorr-torr范围，当气压较之要高时，需更高的输入功率才能实现放电；而介质阻挡放电在上述气压下容易发生，但产生等离子体密度较低。这些因素都大大限制了大面积、高密度等离子体装置的实现。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对现有大面积高密度等离子体装置的诸多问题，提出一种低气压大面积、高密度等离子体产生装置，该装置结构简单，其结构基于介质阻挡放电技术与双频容性耦合技术，在较低气压下，实现大面积、高密度等离子体放电。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种低气压大面积、高密度等离子体产生装置，包括真空系统、等离子体发生系统和基座；

所述真空系统包括真空腔室、真空泵、真空蝶阀和真空规，所述真空腔室与真空泵通过真空蝶阀连接，真空规置于真空腔室外侧的侧壁上；所述真空腔室与真空泵为大面积、高密度等离子体的发生提供所需真空环境，真空规探测真空环境气压；

所述基座位于真空腔室内侧的底部；

所述等离子体发生系统包括上介质板、下介质板、低频交流电源、高频射频电源、上电极和下电极，所述下介质板置于基座上，所述上介质板嵌设在下介质板背离基座的一侧，所述上介质板与下介质板间包覆有下电极，所述上介质板背离下电极、且与下电极相对应处设置有上电极，所述上电极与上介质板之间设置有绝缘材料，所述上电极与下电极之间的距离通过绝缘材料调节；所述低频交流电源与下电极连接，并提供低频交流功率，所述高频射频电源与下电极连接，并提供高频射频功率，上电极接地处理。

进一步地，所述下介质板与基座中央配合的设置有用于穿设导线的通孔，所述导线用于连接高频射频电源和下电极。

进一步地，所述上介质板与下介质板间包覆有下电极：所述上介质板为平板，所述下介质板中刻有两层凹槽，下层凹槽放置下电极，上层凹槽放置上介质板。

进一步地，所述凹槽形状为矩形、多边形、圆形、椭圆形或跑道型中的一种。

进一步地，所述上电极和下电极的形状为矩形、多边形、圆形、椭圆形或跑道型中的一种。

进一步地，所述上电极的形状为网状电极，所述下电极为网状电极或平面电极。

进一步地，所述网状电极的形状为六边形、圆形、矩形、菱形或不规则形状中的一种。

本发明的另一个目的还公开了一种产生大面积、高密度等离子体离子体的方法，采用的大面积、高密度等离子体产生装置包括位于反应器底部基座上的埋在介质板之间的下电极，与之相对的上电极通过绝缘材料悬浮于下电极之上，所述产生方法包括：

施加低频交流功率到下电极；

施加高频射频功率到下电极；

上电极作接地处理；

等离子体由两个不同频率的电源共同驱动，其中低频交流电源产生等离子体，高频射频电源在其基础上产生高密度的等离子体。

进一步地，所述低频交流频率小于等于10khz，所述高频射频频率大于等于13.56mhz。

本发明低气压大面积、高密度等离子体产生装置结构简单、合理、紧凑，与现有技术相比较具有以下优点：

本发明等离子体产生装置可以为现有的任意介质阻挡放电装置。本发明通过采用两个不同频率的电源共同驱动放电(低频交流电源与高频射频电源与下电极连接，提供低频交流功率与高频射频功率，击穿工作气体(空气)以及维持放电)的形式引入到大气压介质阻挡放电等离子体中，以更好地调控和优化等离子体装置，使得等离子体产生装置稳定工作在更宽的放电参数范围之内，拓宽了其应用范围，提高应用效果。

附图说明

图1为本发明大面积、高密度等离子体产生装置结构示意图；

图2为实施例中采用的网状电极结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步说明：

实施例1

本实施例公开了一种基于介质阻挡放电技术与双频容性耦合放电技术的大面积、高密度等离子体产生装置，该装置能产生合适的等离子体。

低气压大面积、高密度等离子体产生装置结构如图1和图2所示，包括真空系统、等离子体发生系统和基座5。

所述真空系统包括真空腔室1、真空泵2、真空蝶阀3和真空规4，所述真空腔室1与真空泵2通过真空蝶阀3连接，真空规4置于真空腔室1外侧的侧壁上；所述真空腔室1与真空泵2为大面积、高密度等离子体的发生提供所需真空环境，真空规4探测真空环境气压；

所述基座5位于真空腔室1内侧的底部；

所述等离子体发生系统包括低频交流电源12、高频射频电源13、下介质板6、上介质板8、下电极7、上电极9和绝缘材料11。

所述下介质板6放置在位于真空腔室1底部的基座5上。所述基座5与下介质板6中央钻有小孔，放置连接低频交流电源12与高频射频电源13的导线。所述下介质板6中刻有两层凹槽，所述凹槽为矩形，下层凹槽放置下电极7，上层凹槽放置上介质板8；上电极9形状与所述下电极7相适应，上电极9与上介质板8之间设置有固定上电极9用的电极固定装置10。

所述介质板可选用不同材料，本实施例上电极9采用网状电极，该网状电极为矩形，做接地处理；下电极7采用平板电极。下电极同时连接到低频交流电源12与高频射频电源13上，按照顺序使用低频交流电源12与高频射频电源13，产生所需参数的等离子体。

本实施例大面积、高密度等离子体产生装置的工作原理如下：

步骤a：预先将放电电极包括上介质板8、下介质板6、上电极9、下电极7与电极固定装置10放置在基座5上。

步骤b：相继打开真空泵2与真空蝶阀3，将真空腔室1抽到所需真空并维持(极限真空气压为1.6mbar)。完成等离子体产生装置放电的准备工作。

步骤c：打开高频射频电源13，开低压预热3-5min后，开高压。打开低频交流电源12，选定合适频率5khz，施加低频交流功率使背景空气放电；施加高频射频功率，增强放电，产生等离子体。

实施例2

本实施例公开一种大面积、高密度等离子体产生装置，其结构与实施例1基本相同，不同的是，本实施例中凹槽形状为圆形，上电极采用网状电极，该网状电极为圆形，做接地处理；下电极也采用圆形的网状电极。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。