一种表面波等离子体发生装置和方法与流程

本发明涉及微电子技术领域，尤其涉及一种表面波等离子体发生装置和方法。

背景技术：

等离子体作为“物质的第四态”在现代产业中广泛使用，比如碳纳米管的制备、半导体的加工、材料的表面改性等，在等离子体的应用中，除了保证等离子体放电的安定性及再现性以外，还要求低压等离子体高密度化，大面积化和均匀化。

现有的微波表面波等离子体发生装置在微波耦合入反应器之前，需通过缝隙板，在缝隙板上产生偏振，但通过缝隙板时，不仅微波能量会大量损失，而且透过的微波也会出现不均匀的现象，不利于生成高密度、大面积的均匀等离子体。

技术实现要素：

本发明提供一种表面波等离子体发生装置和方法，去掉了缝隙板，改变耦合变换器的结构，提供高密度、大面积的均匀等离子体。

一种表面波等离子体发生装置，包括依次连接的微波源、环形隔离器、匹配调节器、波导管、耦合变换器、耦合隔离器和反应器，所述反应器为上底敞开、下底密封的圆柱形筒体，所述反应器的上底与所述耦合隔离器的一面固定连接，所述耦合隔离器的另一面与所述耦合变换器固定连接，所述反应器的侧面设有进气管和气压调节装置，所述气压调节装置用于维持所述反应器中的低气压环境。

进一步地，所述反应器上设有通气管，所述通气管上设置控制阀和压力检测器，所述压力检测器比所述控制阀靠近所述反应器。

进一步地，所述进气管上设有气体流量控制器。

进一步地，所述波导管选用方形波导管。

进一步地，所述耦合变换器依次包括传输段、过渡段和实现段，所述传输段与所述波导管连接并且两者的截面相同，所述实现段与所述耦合隔离器连接，并且所述实现段的截面与所述反应器的截面相同，所述过渡段为截面渐变的波导，所述过渡段的截面由与所述传输段相同的截面渐变为与所述实现段相同的截面。

进一步地，所述过渡段长度l1＝5cm～65cm，所述实现段长度l2＝2cm～5cm，所述反应器的高度为6cm～40cm，所述实现段截面直径与所述反应器底面直径相等，直径d＝10cm～30cm。

进一步地，所述耦合隔离器为石英或无极性陶瓷中的一种。

进一步地，所述反应器上设有等离子体检测端口和观察窗，所述观察窗采用玻璃或石英。

一种表面波等离子体发生方法，利用权利要求所述的表面波等离子体发生装置，具体方法如下：

启动所述气压调节装置，将所述反应器抽真空，然后从所述进气管通入气体，并利用所述气压调节装置维持所述反应器中的气压范围为0.1～2000pa，利用所述气体流量控制器控制通入气体的流量为0-10l/min；

启动所述微波源，利用所述微波源输出微波，微波的功率为200w-5000w，微波的频率为2450mhz±20mhz，微波经过所述环形隔离器传输至所述匹配调节器，经所述匹配调节器调节后，通过所述波导管传输到所述耦合变换器并进一步传输到所述耦合隔离器，微波通过所述耦合隔离器注入到所述反应器中，所述耦合隔离器处于所述反应器内的一侧电离气体形成表面波等离子体。

本发明提供一种表面波等离子体发生装置和方法，去掉了缝隙板，通过改变耦合变换器的结构，使微波在反应器内激发，形成高密度、大面积的均匀等离子体。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的表面波等离子体发生装置结构示意图；

图2为本发明中耦合变换器的结构示意图；

图3为本发明中耦合变换器和反应器的剖视结构示意图。

图中：1、微波源；2、环形隔离器；3、匹配调节器；4、波导管；5、耦合变换器；6、耦合隔离器；7、气体流量控制器；8、等离子体检测端口；9、观察窗；10、气压调节装置；11、压力传感器；12、压力检测器；13、反应器；14、进气管；15、通气管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种表面波等离子体发生装置，包括依次连接的微波源1、环形隔离器2、匹配调节器3、波导管4、耦合变换器5、耦合隔离器6和反应器13，反应器13为上底敞开、下底密封的圆柱形筒体，反应器13的上底与耦合隔离器6的一面固定连接，耦合隔离器6的另一面与耦合变换器5固定连接，反应器上设有进气管14和气压调节装置10，气压调节装置10用于维持反应器13中的低气压环境。

由微波源1发出的微波，经过环形隔离器2、匹配调节器3，然后由波导管4传输到耦合变换器5，耦合变换器5直接通过耦合隔离器将微波注入反应器中，起到耦合作用，本实施例中，反应器采用不锈钢、铝或镍铜合金中的一种，微波从耦合变换器5的下开口注入反应器13，比现有技术中，通过缝隙渗透微波，效率要高，微波的通过量增大，激发的等离子体的密度也会提高。

气压调节装置采用真空泵，在启动微波源之前，利用气压调节装置将反应器中气体抽出，然后通入需要的气体，如氦气、氮气等，至需要的压力，并由气压调节装置维持压力。

进一步地，反应器13上设有通气管15，通气管15上设置控制阀11和压力检测器12，压力检测器12比控制阀11靠近反应器。控制阀11在装置工作结束前处于关闭状态，由压力检测器12对反应器13内的压力实时监测。装置工作结束后，打开控制阀11，平衡反应器13内外气压。

进一步地，进气管14上设有气体流量控制器7，可以精确控制通入反应器13内气体的流量。

进一步地，波导管4选用方形波导管。微波源发出的微波功率较大，采用方形波导管，有利于大功率微波的传输。

进一步地，如图2、图3所示，耦合变换器5依次包括传输段51、过渡段52和实现段53，传输段51与波导管4连接并且两者的截面相同，实现段53与耦合隔离器6连接，并且实现段53的截面与反应器13的截面相同，过渡段52为截面渐变的波导，过渡段52的截面由与传输段51相同的截面渐变为与实现段53相同的截面。除了从方形到圆形的形状变换外，耦合变换器5直接通过耦合隔离器将微波注入进反应器，起到耦合作用，耦合变换器5下开口可以通过更大量的微波，使生成的等离子体密度更大。

进一步地，过渡段长度l1＝5cm～65cm，实现段(53)长度l2＝2cm～5cm，反应器(13)的高度为6cm～40cm，实现段53截面直径与反应器13底面直径相等，直径d＝10cm～30cm。微波在传输过程中，振幅和位相时刻都在发生变化，将耦合变换器和反应器按所述尺寸设计制作，使微波在耦合点处达到较强电场(耦合点，即耦合隔离器处)，利用微波产生的较强电场，实现去掉滤波板后的多模耦合。由于去掉了滤波板，使微波以多模耦合入反应器，在同等功率下产生较强电场，使生成等离子体密度更大。

进一步地，耦合隔离器6为石英或无极性陶瓷中的一种。

进一步地，反应器10上设有等离子体检测端口8和观察窗9，观察窗9采用玻璃或石英。等离子体检测端口8可以连接检测仪器，用于检测等离子体密度、反应器内温度等。通过观察窗9可观察到反应器内部等离子体的状况。

一种表面波等离子体发生方法如下：

启动气压调节装置10，将反应器13抽真空，然后从进气管14通入气体，并利用气压调节装置10维持反应器13中的气压范围为0.1～2000pa，利用气体流量控制器7控制通入气体的流量为0-10l/min；

启动微波源1，利用微波源1输出微波，微波的功率为200w-5000w，微波的频率为2450mhz±20mhz，微波经过环形隔离器2传输至匹配调节器3，经匹配调节器3调节后，通过波导管4传输到耦合变换器5并进一步传输到耦合隔离器6，微波穿过耦合隔离器6注入到反应器13中，耦合隔离器6处于反应器13内的一侧电离气体形成表面波等离子体。

本发明中公开的表面波等离子体发生装置和方法，使用两种气体进行考察，过程如下：

1、打开气压调节装置10，去除反应器13内杂质气体，压力达到1×10^-3pa，然后将纯氩气气体经过气体流量控制器7进入反应器13中，通气流量为500ml/min，启动微波源1，功率设置为755w，经环形隔离器2、匹配调节器3、波导管4、耦合变换器5和耦合隔离器6，将产生的微波输入反应器13中并形成表面波；利用气压调节装置10使反应器13内的气压维持在100pa，反应器13中的微波表面波激发并维持等离子，对氩气气体放电产生的等离子体密度达到8.1×10¹¹/cm³，平均电子温度2.05ev。

2、打开气压调节装置10，去除反应器13内杂质气体，压力达到1×10^-3pa，然后将纯氦气气体经过气体流量控制器7进入反应器13中，通气流量为500ml/min，启动微波源1，功率设置为860w，经环形隔离器2、匹配调节器3、波导管4、耦合变换器5和耦合隔离器6，将产生的微波输入反应器13中并形成表面波；利用气压调节装置10使反应器13内的气压维持在500pa，反应器13中的微波表面波激发并维持等离子，对氩气气体放电产生的等离子体密度达到2.9×10¹²/cm³，平均电子温度3.78ev。

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。