用于产生等离子体的同轴微波施加器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于产生等离子体的同轴微波施加器以及在一压强范围内的等离子体产生方法，该压强范围为KT2Pa至13Pa (也就是从l(T4torr左右至大约1torr)。
【背景技术】
[0002]由微波电磁场产生等离子体能够根据所设想的压强范围不同以及是否存在(与微波电磁场的磁分量截然不同的)静磁场来使用不同的机制实现。
[0003]在ltorr(ltorr = 133Pa)以下，当存在足够强的磁场时，由微波产生等离子体能够以称为电子回旋共振(RCE，resonance cyclotronique electronique)的共振親合模式来获得。
[0004]在电子回旋共振中，如果磁场(能够由线圈或永磁体产生)的强度使得电子在磁场中的回转频率等于微波电场的频率&，那么微波电场非常有效地对电子加速，因此:
[0005]f0= eB 0/2 π me (I)
[0006]其中，为电子的质量，-e为电子的电荷量并且B ^为与微波频率f ^的电子回旋共振(RCE)对应的磁场的强度。
[0007]在没有碰撞时，所谓的快电子的轨迹则在磁场中被加速至电子回旋共振并随后围绕磁场线螺旋运动，并且每个电子因此能够在两个镜像点之间振荡，电子的速度在镜像点处平行于磁场线抵消并改变符号。
[0008]实际上，当电子的磁矩在电子轨迹上守恒(运动的绝热不变量)导致磁场的强度增大时，电子平行于磁场线的速度减小而使围绕磁场线的旋转速度增大(电子的动能守恒)，直到电子平行于磁场线的速度在第一镜像点处被抵消，随后方向改变为朝向第二镜像点M,以此类推。
[0009]磁场的强度相同的这些镜像点M通常位于同一磁体的两个朝向相反的磁极(如图1)或两个毗邻的磁体(参见图2)。
[0010]图1示出了磁化方向由箭头示意性示出的永磁体ml。
[0011]两条磁场线L被示出，并且被驱动围绕磁场线L旋转的电子的轨迹T在其中一条磁场线上被示意性示出。
[0012]图2示出了两个彼此平行布置的永磁体ml和m2，两个永磁体的相反的磁化方向由箭头示意性示出。
[0013]在此情况下，磁场线L将两个磁体的毗邻极相连接，电子的轨迹在两条磁场线中的一条上示意性示出。
[0014]上述运动一直延续直到加速至电子回旋共振的快电子遭受碰撞并且特别是电离碰撞。
[0015]等离子体，即电子和离子，因此沿着加速至电子回旋共振的快电子的轨迹产生，随后通过连续碰撞而扩散到轨迹的两边，因此垂直于磁场线。
[0016]在文献FR 2797372,FR 2838020, FR 2904177, FR 2904178 和 FR 2938150 中对多个使用电子回旋共振的设备进行了说明。
[0017]通常，这些设备包括具有位于同轴微波施加器(微波施加器)的出口处的永磁体的磁结构。
[0018]这些磁结构致使加速至电子回旋共振的全部快电子在两个镜像点M之间振荡而不会接触到能够收集快电子的材料表面。
[0019]因此，被吸收用于加速快电子的微波功率被完全用于通过电离碰撞产生等离子体，而并不对中断其轨迹的表面进行撞击，从而为通过快电子产生等离子体提供了最佳效率。
[0020]全部这些设备都允许以卓越的性能来产生微波等离子体。
[0021]在比0.1torr (13.3Pa)或ltorr (133Pa)更高的压强下，也就是说，当等离子体中的电子的碰撞频率V达到微波脉动ω的数量级时(V ^ ω)，电子回旋共振变得低效并且对电子加热，也就是说，微波电场中电子的渐进加速例如通过离开施加器立即发生的碰撞吸收来完成。
[0022]在该几帕斯卡以上的更高压强的该工作模式下，必须通过使用直接位于施加器出口处的液密介电窗将减小的压强下的容腔与大气压分隔来避免在同轴施加器内产生。
[0023]这一点能够参照文献FR 2840451。
[0024]尽管上述文献的微波施加器有所改进，然而所有这些施加器都具有两个主要的不足，也就是:
[0025]一方面，加速至电子回旋共振的快电子在各个壁附近被位于磁极附近的两个镜像点之间的磁场捕获:等离子体的产生因此被定域在施加器出口处，也就是壁附近；
[0026]另一方面，由快电子产生的等离子体扩散到快电子的轨迹的两侧，也就是垂直于磁场线扩散。由于扩散到快电子的轨迹的一侧或另一侧的概率是相等的，所以等离子体朝着壁扩散的概率和背离壁扩散的概率在统计学上是相等的。则可以认为，快电子产生的半数等离子体直接在壁上损失，而非填充位于离开壁的轨迹之外的有用的等离子体容腔。
[0027]本发明的一个目标因而是设计一种微波同轴施加器，该微波同轴施加器使得可以克服这两个不足。
【发明内容】
[0028]一种同轴微波施加器被提出用于产生等离子体，包括由中间芯体和外导体组成的导电同轴管，所述外导体围绕所述中间芯体并且通过用于传播微波的环形容腔与所述中间芯体分隔。
[0029]遵照本发明，所述施加器包括:
[0030]圆柱形永磁体，其磁化方向平行于所述施加器的轴线，所述圆柱形永磁体位于所述中间芯体的末端；以及
[0031]至少一个环形永磁体，其磁化方向平行于所述施加器的轴线并且与上述居中的圆柱形磁体的磁化具有相同方向，所述至少一个环形永磁体位于所述外导体的末端，
[0032]位于所述同轴管的末端处的全部磁体具有相同的磁化方向，
[0033]所述磁体的磁化强度被选择以形成一磁场，该磁场适于在远离施加器的末端的区域内提供与所述施加器生成的微波电场耦合的电子回旋共振，
[0034]所述环形磁体的外半径和磁化也被选择以使得所述磁体生成的磁场线在与所述施加器的轴线基本平行的方向上穿过所述电子回旋共振耦合区域。
[0035]将出口空间空闲的新的施加器还使得，不但可以在低压下由电子回旋共振产生等离子体，而且在高压情况时(此时，磁场变得远没有效果)在例如碰撞吸收类型的耦合条件下产生等离子体。
[0036]电子回旋共振所指的是这样的情况:位于施加器的末端处的永磁体所产生的磁场的强度Btl使得质量为m e、电荷量为-e的电子在所述磁场中的回转频率等于微波电场的频率fo，因此:
[0037]f0= eB 0/2 π me (I)
[0038]根据一个实施例，所述环形磁体的所述外半径为所述用于传播微波的环形容腔的外半径的至少两倍。
[0039]根据一个实施例，围绕被称为第一环形永磁体的所述环形磁体，所述施加器包括轴向磁化方向与所述中间圆柱形磁体的磁化方向一致的第二环形永磁体，所述第二环形磁体的磁场强度大于所述第一环形磁体的磁场强度。
[0040]所述第一环形磁体和第二环形磁体由相同磁材料制成，所述第二环形磁体的轴向长度大于所述第一环形磁体的轴向长度。
[0041]替代性地，所述第一环形磁体和第二环形磁体具有相同的轴向长度，并且所述第二环形磁体的材料具有比所述第一环形磁体的材料更大的磁化强度。
[0042]根据一个实施例，所述施加器包括肩部，所述肩部覆盖所述环形磁体的末端的外区域以在径向上对所述电子回旋共振耦合区域的表面加以限制。
[0043]所述同轴管的所述中间芯体和/或所述外导体还包括用于使冷却流体进行循环的回路。
[0044]根据一个实施例，在所述施加器的末端处使用由介电材料制成的窗口来对所述用于传播微波的环形容腔进行密封。
[0045]根据另一个实施例，在所述施加器的末端的上游使用由介电材料制成的窗口来对所述用于传播微波的环形容腔进行密封。
[0046]有利的，所述用于传播微波的环形容腔适于使介电冷却流体进行循环。
[0047]另一目的涉及一种等离子产生设备，包括含有等离子气体的外壳以及至少一个如上所述的施加器，所述施加器的支承所述圆柱形永磁体和环形永磁体的末端通入所述外壳。
[0048]根据一个实施例，所述设备包括分布在所述外壳内以形成一维、二维或三维阵列的多个施加器。
[0049]根据一个实施例，全部所述施加器的所述永磁体具有相同的磁化方向。
[0050]在该情况下，所述施加器阵列有利地被磁结构包围，所述磁结构的磁化方向与所述施加器的磁化方向平行但方向相反。
[0051 ] 替代性地，所述施加器阵列被溅射磁控管结构包围。
[0052]根据另一个实施例，全部所述施加器的所述永磁体具有从一个施加器到另一施加器交变的磁化方向。
[0053]较优地，所述外壳内的绝对压强介于KT2Pa至13Pa之间。
[0054]另一目的涉及一种在含有等离子气体的外壳中使用微波来产生等离子体的方法，所述方法包括:在通入所述外壳的如之前所述的同轴微波施加器中传播微波，以及在所述施加器的末端处施加一个磁场，该磁场能够在远离所述施加器的末端的区域内提供与微波电场耦合的电子回旋共振，所述磁场的磁感线在基本平行于所述施加器的轴线的方向上穿过所述电子回旋共振耦合区域。
[0055]所述外壳内的绝对压强介于KT2Pa至13Pa之间。
[0056]根据一个实施例，所述外壳中的绝对压强小于133Pa，较优地小于IPa，更优地小于 0.1Pa0
[0057]根据本发明的一个实施例，等离子体借助于分布在所述外壳内以形成一维、二维或三维阵列的多个施加器产生。
[0058]有利地，通过使冷却流体在所述施加器的所述中间芯体中或者微波传播容腔中循环来冷却所述施加器。
[0059]较优地，在所述施加器的末端处或所述施加器的末端的上游使用液密介电窗口来对所述用于传播微波的环形容腔进行密封。
【附图说明】
[0060]参照附图并根据以下详细说明，本发明的其它特征和优点将显现出来，在附图中:
[0061]图