专利名称：微波传播和吸收区分开的等离子体装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用微波从任何种类的气体介质产生等离子体的一般技术领域。
更准确地说，本发明涉及或者在电子回旋共振的磁场内或者对无磁场的高压等离子体利用微波产生等离子体的领域。
本发明的特别有利的用途在于表面处理领域(刻蚀、沉积、清洗、杀菌、消除污染、溅射、离子注入、化学或热化学处理)或产生通过等离子体提取获得的离子束，或者在一般的情况下，本发明用于需要产生浓密等离子体的其它用途。
在技术领域中已经知道许多产生等离子体的装置。例如，法国专利FR85/08836说明一种在电子回旋共振下的等离子体激发技术。当静态或准静态的磁场中电子的回转频率等于外加加速电场的频率时就获得电子回旋共振。对于由下列关系给定的磁场B和激发频率f能获得共振B＝(2πmf)/e式中，m和e分别为电子的质量和电荷。作为例子，在频率2.45GHz，为了获得共振需要0.0875忒斯拉。
对于等离子体激发，电子回旋共振只有在电子可以通过该过程充分加速时才可能，也就是，只有在电子可以在相位中足够长时间地转动而使电场获得电离气体所需的极限能量时才可能。为了达到这一点，首先要求回转半径足够小，特别是保持在共振的各个条件统一的空间区域内，即在一个其中外加电场和强度为B的磁场同时存在的区域内；其次要求与电子和中性基本粒子即原子和/或分子之间的弹性碰撞频率相比，回转频率仍然是大的。换句话说，当气体压力足够低而同时电场频率足够高即磁场强度B同样高时，获得电子回旋共振的等离子体激发的最佳条件。在实际中，在一个常规等离子体中，对于频率f为大约或大于500MHz而气体压力为大约10-1帕(通常为10-3帕至10帕，取决于气体性质)时，获得电子回旋共振的有利于激发的条件。然而，大于10GHz的微波频率需要非常高的磁场强度，用常规的磁结构和永久磁体不可能得到。在频率f＝2.45GHz时，强度B为0.0876忒斯拉，而在频率f＝10GH2时，强度超过0.35忒斯拉。
如在
图1中可以更清楚地看到的，上述法国专利中说明的技术要求使用永久磁体1，每个永久磁体1产生至少一个强度相应于电子回旋共振的恒定磁场的表面2。电磁功率通过天线3或每个由金属线元件构成的等离子体激发器传送到共振区2。每个激发器3安置在永久磁体1的上方，永久磁体1安装在密封箱4的壁上。
强度等于发生共振的值的电磁场和磁场是局域化的并基本上限制在激发器3和磁体上方密封箱壁一部分之间的空间中。当存在低压气体介质时，电子在共振区中加速，它们围绕形成等离子体限制表面的磁场线5。这些磁场线5形成将一个磁体的极连接到相邻磁体的极上的垂链。沿其路径，电子使与其碰撞的分子和原子发生离解和电离，等离子体而后沿磁场线产生并随后从磁场线扩散而形成实际上不存在高能电子的冷等离子体中高能电子仍然捕集在垂链中。这样一种装置的一个主要缺点是，微波能量传播和吸收微波能量的共振区是重叠的。因此微波沿线形施加器传播而不同时发生吸收是不可能的。因此，等离子体强度和微波电场强度沿天线逐渐减小。结果，得到的等离子体沿天线的强度不均匀，因而不适合于大多数工业用途。
为了弥补这个缺点，专利FR91/00 894提出，将天线3安置在磁体间的区域6中，区域6位于密封箱壁和连接两个不同极性的相邻极的磁场线5之间。区域6由于它实际上没有等离子体而特别适合于微波传播，因为等离子体扩散垂直于磁场线而当磁场强度增大时等离子体扩散大为减小。因此沿微波施加器的全长得到波幅恒定的驻波，每半个波长得到微波功率的最小值和最大值。但是，即使沿施加器的微波功率因此而按平均值均匀分布，由于邻近磁场施加器的磁场的梯度和曲率而引起的沿施加器存在电子漂移，等离子体源实际上是均匀的，因此沿施加器产生一个均匀的等离子体。
该技术的主要缺点是，微波电场最大的区域即施加器和密封箱壁之间的区域并不与磁场强度等于电子回旋共振的共振区符合一致。为了产生等离子体激发，必须或者增大外加微波电场的强度，或者增大磁场的强度，以延伸共振区。在这种情况下，必须使用能够传送极高磁场强度的永久磁铁，该强度显著大于仅仅为满足共振条件而需要的强度。
此外，由上述两个专利说明的所有技术也存在下述缺点由永久磁铁产生的磁场的工作体积的百分率低；
要求相对于磁体非常精确地安置微波施加体；要求提供壁非常薄而作为距磁体表面距离的函数的磁场强度降低极快的箱；要求使用能够沿微波施加器传送磁场的磁场施加器，该微波施加器要尽可能均匀，以便避免对于沿施加器传播微波极端不利的阻抗断裂；几乎不可能通过等离子体激发机构泵出和配送气体；以及激发效率很低，由于与快电子一起扩散的离子而产生壁的破碎，这些快电子产生等离子体由于磁场的梯度和曲率而引起的电子漂移而对着壁消失(磁控管效应)。
因此本发明着眼于弥补先有技术的各种缺点，方法是提出一种适合于保证微波功率沿磁场施加器长度方向损失极小地传播和配送的装置。从而获得最大的微波功率，使得可以获得实际上恒定的等离子体密度(至少平均说来)。
本发明着眼于提供一种等离子体产生装置，能够提高微波功率而不存在任何纯粹物理方面的限制，从而可以同时提高该等离子体的密度。
为了达到这些目的，配送微波功率以激发密封箱内等离子体用的配送装置包括一个微波能量源；至少一个微波能量第一施加器；以及至少一个线形等离子体激发器，安置在距微波第一施加器一定距离处，在两者之间形成一个吸收区，电子沿确定的轨道受微波场的加速。
根据本发明，该配送装置包括至少一个微波能量第二施加器，与一个第一施加器和一个激发器配合，形成至少一个激发三元组合，其中，首先，第一施加器和第二施加器安装成大体上互相平行并在空间上隔开一定距离，在其间形成一个微波能量传播区，其次，激发器安置在密封箱内部，以这样一种方式相对于第一和第二施加器安置，使得电子的轨道不与传播区相交，从而分开传播区和吸收区。
从下述参照附图的说明可以清楚其它各种特征，它们表明本发明的各个实施例及其实施为非限制性的例子。
图1是一种配送微波能量用的先有技术装置的示意截面图；图2是一种实施本发明的配送微波能量装置的实施例的产生等离子体用的机械装置图；图3是大体上沿图2III-III线的截面图；图4是表示本发明的一种单元分布装置的放大比例图；图5表示适合于在本发明装置中实施的激发施加器的实施例；图6至8表示可以实施本发明激发装置的各种组合；图9和10是在第二变型实施例中实施本发明激发装置的原理图。
如从图2和3可见，机械装置I适合于从任何种类的气体介质产生用途非常广泛的等离子体，如用于表面处理或产生离子束。该机械装置包括一个非磁性的密封箱7，装有至少一个注入气体用的装置8和至少一个泵出气体用的装置9，使待电离气体能够保持在所要压力下穿过激发区，该压力例如可以是约10-2帕至几帕。机械装置I也包括本发明的一个激发等离子体用的装置，该等离子体被限制在密封箱的中心区内。例如，在工作区内，该等离子体用于对安置在支架12上并利用发生器13相对于等离子体的电位加偏压的样品或物体11进行表面处理。
本发明的激发装置包括至少一个等离子体激发器e，后者在第一实施例中构成利用永久磁体或者利用沿导体或超导体传导的电流来外加磁场用的元件。在图示的例子中，激发装置包括一系列激发器e，每个由线状的合在一起形成多极磁性结构的永久磁体构成。如可从图2和4更清楚地见到的，大体上互相平行的磁激发器e对等离子体呈现接续的交变极性，从而构成形状如磁场线垂链的磁性表面5。磁激发器e以这样一种方式安置，使得垂链形式的磁场线将一个磁体的极连接到它自己的相对的极上或连接到相邻的磁体的相对极上。因此，等离子体的产生限制在磁场线垂链5内的区域10中。
在一个优选实施例中，多极磁性结构是这样制成的，使得能获得强度足够的磁场来保证电子回旋共振。如可从图4中更精确地看到的，每个激发器e适合于产生一个磁场恒定而磁场强度相应于电子回旋共振的表面2。该表面2部分地或全部地包围每个磁体e，如图4中虚线所示。例如，对于2.45GHz的激发频率，磁场必须为0.0875忒斯拉，而对于5.8GHz的激发频率，磁场强度必须为0.207忒斯拉。
激发器e以距密封箱壁一定距离安置在密封箱7内，首先使气体能够从上述箱壁处泵出，其次使电子能够加速到电子回旋共振，从而沿磁场线振荡并垂直于磁场和垂直于磁场梯度或曲率而漂移。因此激发器e这样安置，使得围绕磁场线的电子轨道不与密封箱壁相交。
本发明的激发装置也包括至少一个(而在图示例子中为一系列)第一施加器P1，用于施加微波范围的能量，这些施加器安置在一定的局部区域内。第一施加器P1通过任何合适的装置经过阻抗匹配器21连接到微波能量发生器20上。每个第一施加器P1安置成距激发e一个预定距离，使得在其间形成一个吸收区A，区内发生电子加速。为此，等离子体激发要求电子在该吸收区A内受到充分加速以激发等离子体，因此要求微波电场和磁场具有充分强度。以这种方式加速的电子沿其轨道产生沿磁场线5的等离子体。在图4所示的例子中，等离子体激发以电子回旋共振进行。
每个第一施加器P1最好包括在其一端输入的第一线形元件，或者通过真空的同轴通道或者通过波导—同轴传输，或者通过空腔—同轴传输。当第一施加器P1用作线形元件时，每个吸收区A沿施加器P1位于施加器和相应地安置的磁体e之间。
根据本发明，激发装置也包括至少一个(而在图示例子中为一系列)微波能量第二施加器P2，每个安置在距第一施加器P1一个预定距离。在相邻的第一和第二施加器P1和P2之间发生耦合的情况下，每个第二施加器P2于是与安置在其附近的第一施加器P1配合，形成一个微波功率传播区P。在图示的例子中，每个激发器e安置成大体上平行于施加器P1和P2延伸。应当观察到，激发器e可以安置在相对于施加P1和P2不同的位置中。例如，激发器e可以安置成垂直于施加器P1和P2。在更一般的方式中，可以采取描施将一个激发器e的阵列安置成垂直于施加器P1和P2的阵列。本发明的激发装置包括至少一个而一般情况下为一系列三元组合的激发元件，每个三元组合包括一个激发器e、一个第一施加器P1和一个第二施加器P2。在每个三元组合中，第二施加器P2和第一施加器P1相对于激发器e这样安置，使得激发电子的轨道不与微波功率传播区P相交。在常规方式中，激发电子围绕磁场线5。每个三元组合的施加器P1和P2必须这样安置，使得激发电子的轨道5不与传播区P相交。以这种方式，有可能从有关的吸收区A中分开每个传播区P，从而使得能够沿激发器始终获得良好的微波能量传播。
激发器e这样安置，使得围绕磁场线的电子的轨道不遇到障碍和不受阻挡，特别是不受密封箱壁的阻挡。为此，激发器e必须位于沿其长度和至少其一个端部处距密封箱壁一个距离，特别是当使用如图3所示的径向磁化时。在这个变型的实施例中，激发器e的长度有限短于密封箱7的尺寸，因而在激发器e至少一个端部最好两个端部与密封箱7的壁之间留下非激发区N。对于长度大的激发器e，每个磁体e在其两端延伸一个区段24，用于将磁体安装在密封箱的壁上。
如可从图3看出，通过将激发器e安装在密封箱内部，可以通过一或多个位置相对于激发区配送和泵出气体。这样一种构型使得可以具有一种能够适合于被处理物体11形状(平面或圆筒形)的激发结构。特别是，似乎可以将激发器e安置在距物体任意的距离。
为了增强激发区A外面的微波传播，在每个三元组合中第一施加器P1和第二施加器P2必须充分地靠近，使得最大功率传播优先地在它们之间发生。通常，每个三元组合的施加器P1、P2之间的距离必须与每个施加器P1、P2的激发器e之间的距离同一数量级，如果可能，前一距离应等于或小于后一距离。
在图示的例子中，应当观察到，微波源20连接在第一施加器P1上。自然，可以将微波源20直接连接到第二施加器P2或激发施加器e上，使最大功率传播始终受到施加器P1、P2的保证。微波源20最好连接到两个施加器P1、P2之一上，以避免在激发施加器e的端部上发生优先激发并沿激发器全长产生均匀的等离子体。也应当考虑到，施加器P1、P2总有一个可以由密封室7的壁的一部分构成。
此外，当激发施加器e采取永久磁铁形式时，可以使用各种永久磁铁结构。因此(例如)可以考虑使用具有连续经向磁化作用的线形磁性施加器(图3)或一个具有使用轴向磁化作用的磁体的交变磁性结构的线形施加器(图5)。通常，激发器e和施加器P1、P2可以为任意形状和区段，而如果需要，它们可以利用传送循环冷却液体用的通道进行内部冷却，这些通道设置在激发器和/或施加器的内部。
应当观察到，施加器和/或激发器也可以用于配送气体、光子、附加电子、辐射等。同样，用一个不导电的箱子围绕施加器P1、P2可能是有利的，以便相对于外部而在电学或热学上使装置隔绝或避免金属污染的风险，或甚至保证更好地传播同时并不损失等离子体存在时沿施加器的微波功率。
本发明的激发装置可以用于需要单独一个三元组合激发元件的用途中。它当然也可以与一系列相关的三元组合元件一起使用，以便产生大面积的尺寸和形状非常不相同的等离子体(平面形，圆筒形，头尾相接形…)，或者与由激发施加器产生的磁场配合而形成一种多极磁性约束结构，如图2所示。作为非限制性的例子，图6至9表示其中传播施加器P1、P2或激发器e可与邻近的装置或接续的装置公用的各种组合。在所有情况下，传播区P和吸收区A必须在空间上隔开，如上面已经说明的。
图9和10表示本发明激发装置的第二变型实施例，用于高压或高微波功率。
在高压或高微波功率下，为了在电场最高的特定传播区P内避免放电或等离子体着火，建议用呈现低损耗的介电材料25填充传播区P。而后在所谓激发区A中发生放电。在高压时由于在中性物体上弹性碰撞太频繁而电子回旋共振不再可能的场合，磁场会损失其有效性，而激发施加器e会缩小成为为类似于传播施加器的简单线形施加器。
在本发明产生的优点中，应当提到那些能够解决先有技术中提出的问题的优点，特别是解决所有与微波沿等离子体激发装置传播有关的问题。在本发明中，使用三个线形施加器使得可以微波的传播和等离子体的激发将在空间中隔开。从而避免与磁场以及等离子体中的大的局部不均匀性相关的阻抗不连续性。此外，本发明在使用中可以有更大的灵活性，特别是在选择反应堆构型、磁性结构和允许的压力范围(通常为10-3帕至103帕或以上)方面。另一个决定性的优点是装置的有效性，因为在增大沿传播施加器传播的微波功率并因此而同时增大等离子体的密度方面不存在纯粹物理性的限制。本发明的另一优点在于，可以正比于待处理的物体11的尺寸增大泵出速度，这一点可以从图3中示出的例子看出。其次，通过使用安置在密封箱内部容织中的磁体可以获得非常高的激发效率，每个磁体在其本身上或与其相邻磁体一起，可以组成三维的磁控管。
本发明不限于已经说明和图示的例子，因为可以对其进行许多变化而并不超出其范围。
权利要求
1.一种用于配送微波功率以便在密封箱内激发等离子体的配送装置，该装置包括一个微波能量源(20)；至少一个微波能量第一施加器(P1)(21)；至少一个线形等离子体激发器(e)，安置在距微波第一施加器(P1)一定距离处，用于在它们之间形成一个吸收区(A)，电子沿确定的轨道(5)受到该微波场的加速；其特征在于，该配送装置包括至少一个微波能量第二施加器(P2)，用于与一个第一施加器(P1)和一个激发器(e)配合，形成至少一个激发三元组合，其中，首先，第一施加器(P1)和第二施器(P2)安装成大体上互相平行并在空间上隔开一定距离，在其间形成一个微波能量传播区(P)，其次，激发器(e)安置在密封箱(7)内部，以这样一种方式相对于第一和第二施加器(P1，P2)安置，使得电子的轨道(5)不与传播区(P)相交，从而分开传播区(P)和吸收区(A)。
2.一种根据权利要求1的装置，其特征在于，同一三元组合中的第一和第二施加器(P1，P2)以这样一种方式安置，使两者之间的距离等于或小于每个施加器(P1，P2)和相关的激发器之间的距离。
3.一种根据权利要求1的装置，其特征在于，等离子体激发器(e)在电子回旋共振频率产生一个磁场。
4.一种根据权利要求1的装置，其特征在于，在第一和第二施加器(P1，P2)之间形成的微波能量传播区(P)填充了一种介电材料，以防止等离子体在该区域内在高压或高微波功率下放电。
5.一种根据权利要求1的装置，其特征在于，每个施加器(P1，P2)由一个线形元件构成。
6.一种根据权利要求1的装置，其特征在于，三元组合中的至少一个施加器(P1，P2)是由密封箱的一个壁构成的。
7.一种根据权利要求1和5的装置，其特征在于，微波能量源(20)连接到组成一个激发三元组合的任何线形元件(P1，P2)上。
8.一种根据权利要求1的装置，其特征在于，两个施加器(P1，P2)安装在密封箱(7)内部。
9.一种根据权利要求1的装置，其特征在于，激发器(e)安装成大体上平行于施加器(P1，P2)。
10.一种根据权利要求1的装置，其特征在于，激发器(e)的长度有限，短于密封箱(7)的尺寸，因而在密封箱和激发器的至少一个端部之间留下一个非激发区。
11.一种根据权利要求1的装置，其特征在于，等离子体激发器(e)具有一个由辐射状的、轴向的或径向的、连续的或交变的磁化作用磁化的结构。
12.一种根据权利要求1的装置，其特征在于，它包括一系列以这样一种方式彼此相对地安置的激发体(e)，即形成一个多极磁结构。
13.一种下述类型的产生等离子体的机械装置，包括一个连接在至少一个泵出装置(9)和一个输送气体介质的装置(8)的密封箱(7)，以便在密封箱内保持一定的压力，该机械装置的特征在于，它包括至少一个根据权利要求1的装置。
全文摘要
一种配送微波功率以便在封闭箱内激发等离子体用的装置，包括至少一个微波能量第二施加器(P2)与第一施加器(P1)和激发器(e)形成至少一个激发三元组合。其中，首先，第一和第二施加器安装成基本上互相平行并在空间上隔开一定距离，以便在其间形成一个微波能量传播区(P)；其次，激发器(e)安置在密封箱(7)内部，以这样一种方式相对于第一和第二施加器(P1，P2)安置，使得电子的轨道(5)不与传播区(P)相交，从而分开传播区(P)和吸收区(A)。
文档编号H05H1/46GK1153448SQ9511874
公开日1997年7月2日 申请日期1995年11月3日 优先权日1995年11月3日
发明者吕西安·亨利·雅克·佩尔蒂埃 申请人:金属加工有限公司