微波等离子体发生设备和等离子体炬的制作方法

专利名称：微波等离子体发生设备和等离子体炬的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过将电磁功率耦合到气体中而产生等离子体的设备。这样的设备还 被称为“等离子体源”。在本说明书中术语“等离子体发生设备”和“等离子体源”可互换使用。
背景技术：
为了使冷等离子体表面处理技术变得流行，需要改善用于通过将电 磁功率耦合到 气体中而产生这些等离子体的设备。这些设备或“等离子体源”必须为-简单并廉价；-适于线性几何并可能地适于非平面几何；以及-能够在10_2mbar的量级的基本真空到大气压力或甚至高于大气压力的压力水平 的宽范围内操作。此外，将来自发生器的电磁功率传送到等离子体的效率必须尽可能地高，即-该操作必须仅仅使由将电磁功率耦合到等离子体的设备的结构的发热而导致的 损失最小；-到外部的剩余辐射必须是可忽略的(为了安全和不会干扰在相同的所规定的工 业频率附近操作的设备)；以及-必须仅仅小部分的入射功率被反射回到发生器，即，在功率源线路与使用该同一 功率的等离子体源之间必须具有良好的阻抗匹配。对于宽范围的操作规程，必须尽可能长地保证后一条件成立，而不必实时地重新调整。由甚高频(very high-frequency)(特别地，高于约一百兆赫兹，包括微波频率) 例如434MHz、915MHz、2450MHz和5850MHz (由用于IMS(工业、科学和医学)带的国际规 章规定的频率)激发的等离子体由于其高电子密度而受到特别关注。这意味着在放电中 对物理化学过程的更强激活，特别是以高速率形成在表面处理过程中所涉及的活性物种 (activespecies)。因此该处理更全面和/或更迅速例如，以薄膜的形式沉积材料的速度 更高，制造产率更令人满意。在超过几十MHz的极限时，电磁波由于其传播特性而不能像DC或射频的情况一样 地应用于气体以通过连接到功率源电路的电极施加到气体来产生等离子体。在通过处理腔 内部或邻近处理腔的特定构造的传导结构导引之前，经由中空矩形波导或同轴电缆来从发 生器输送微波。该腔必须允许微波的分布和分布吸收，以产生具有所需特性的足够均勻的 等离子体。微波等离子体发生器设备已经被开发出来，在这些设备中，可特别地提及下列 设备“双等离子体线路(duo plasmaline) ” 系统(Ε· Rauschleet al. , J. de Physique IV(8)，PR7，99(1998)) ；二维缝槽式天线施加器(slotted-antenna applicator) (H. Sugai, Plasma Fusion Research 72,621 (1996)禾口 H. Sugai et al. , Plasma Sources Scienceand Technology 7，192(1998))；用于分析应用的微带(microstrip)场施加器源 (A. M. Bilgicet al.，Plasma Sources Science and Technology 9,1-4(2000))；电子回旋 共振系统；以及多偶极磁控管系统。然而，所有这些设备具有复杂的构造且制造昂贵。此外，他们还依赖于等离子体处 理反应器的给定的配置和尺寸。特别地，关于Bilgic等人的团队的研究，在上面提到了他们的出版物之一(读者 还可以参考文件DE-198 51 628和US 2003/008086)，这些文件涉及微带系统的使用。然 而，对于这些研究，应该清楚地注意到，所关注的源具有非常小的尺寸并希望在毛细管通道 (具有约Imm2的截面)中在氩中以低的功率(约10W)在大气压力下维持等离子体，其中该 毛细管通道通过在矩形截面的硅石(silica)棒中沿轴向钻孔形成。横截面非常小的等离 子体通道完全位于微带传输线路中。在该工作中并没有提及将该系统扩展到二维和三维的 可能性，因此难以想象将这样的结构用于大面积连续处理的可能性。
如稍后借助于比较图而更详细描述的，Bilgic等人描述的系统在电介质的背面上 采用保持接地的连续传导性面，该解决方案具有缺点，其中的一些缺点为-向等离子体的耦合更确切地为共振类型，这最好要加以避免，因为这样难以实现 阻抗匹配并且在实际的实践应用情况下通常是不可忍受的限制；以及-在这样的配置中，没有很多的定位等离子体的方式通道可在电介质中被切断， 或者接地面被设置在与电介质的下表面间隔一定的距离处，但在所有情况下，该距离都被 限制为几mm(因为，带状线路和接地面必须电学地“彼此可见”)，这在实践中将显著地限制 这样的配置的应用。

发明内容
现在，将解释如何根据本发明产生行波传播而不产生共振耦合以及当需要时如 何消除深度限制。具体而言，将看到，本发明归功于以下构思将等离子体视为具有本 征电势(intrinsic potential)的导体，因此该导体可以很好地用作接地参考(ground reference)，并通过该导体自身来支持产生其的行波的传播。发明人惊奇并出乎意料地发现，基于微带场施加器的面源(planesource)，更普遍 的为使用具有与其长度相比的小横截面的细长(elongate)导体(无论是微带型或中空例 如圆柱、线型)的面源，构成了易于采用并具有所有需要的性质的非常简单的等离子体源。因此，根据本发明的等离子体发生设备包括至少一个甚高频源，其被连接到具有 与其长度相比的小横截面的细长导体(例如，微带类型或中空线类型)，该细长导体被固定 到电介质支撑物；至少一个阻抗匹配装置，其位于所述甚高频源与到所述导体的连接之间； 至少一个用于冷却所述导体的装置；以及至少一个气体进口(gas feed)，其靠近所述电介 质支撑物的与支撑所述导体的一侧相反的一侧。如通过阅读前述内容所理解的，根据本发明，表述“甚高频”表示100MHz以上的 频率，并且特别地为由用于IMS (工业、科学和医学)带的国际规章规定的434MHZ、915MHz、 2450MHz和5850MHz的“离散”频率。同样，被表述为“靠近”或“邻近”电介质支撑物的气体进口应被理解为表示入口 典型地在距离支撑物至多15mm处且优选地距离支撑物至多IOmm处开口。
等离子体在电介质的这样的表面下方产生，该表面与支撑且面对导体的表面相 反。因此，根据本发明的设备可以以使等离子体接触将被处理的表面的方式而相对于 将被处理的该表面行进，或者该将被处理的表面在等离子产生区域下方行进而根据本 发明的设备保持静止。根据导体相对于将被处理的表面的取向以及根据电介质与将被 处理的表面之间的分隔距离，可以直接通过等离子体进行处理或通过放电后等离子体 (post-dischargeplasma)进行处理。本领域的技术人员将术语“放电后等离子体”理解为 表示紧邻实际等离子体区域的区域，其特征在于其强烈的发光。在放电后等离子体中，带电 的物种实际上已经消失，但中性的受激物种和/或活性物种仍然存在。因此，当导体垂直于 将被处理的表面时，所述表面不会遇到等离子体区域，而是通过放电后等离子体进行处理， 而当导体平行于将被处理的表面(最常见的情况)时，通过直接接触等离子体来进行处理。在本发明中，术语“微带”应理解为表示细长形状并且厚度小的电导体部件，其厚 度典型地为一毫米或小于一毫米的量级。微带可以具有任何长度和任何宽度，这些尺寸将 例如最优化沿由该微带形成的传输线路的功率传播特性。作为变体，并如上所述，可用中空 细长部件，特别地，圆形、矩形或方形横截面的中空细长部件，来取代微带，该中空管的壁厚 度要足以保证良好的机械强度，并对电特性没有影响。微带/导体并不受限于面、直线几何 形状，而是还可以采用弯曲(curved)的面形状或在其长度方向上具有凹陷或凸起曲率的 翘曲(warped)形状。可以理解，在下文中可以互换地使用术语“导体”和“微带”，本发明在任何时候都 不局限于这些线路类型中的仅仅一种。因为高频电流流动遵守趋肤效应，并且因为这依赖于频率和构成导体的材料的导 电性，电流在其中流动的实际厚度将远小于0.1mm。然而，因为传送的功率水平高(几百瓦 的量级)，并且因为金属的导电性随温度升高而减小，微带的厚度将远大于由趋肤效应限定 的理论厚度，因此需要冷却微带以保持其物理完整性。因此，微带将具有1毫米的量级的厚 度，并由作为良好的电和热导体的材料制成，要选择所有这些要素以使其具有良好的机械 强度，该材料可以为铜合金，例如，黄铜或优选地铍铜。为了保持微带的良好的传导性，由至 少作为良好电导体并对氧化不敏感的金属(例如，金)的涂层来涂敷所述微带的表面是有 利的。这确保了在正常操作环境中随着时间流逝而保持良好的电特性，其中在正常操作环 境中铜合金具有轻微氧化或表面污染的倾向。有利地，使微带导体机械地压贴电介质。如果所涉及的功率水平足够低，微带也可 以被丝网印刷在电介质上。所使用的电介质必须不仅具有良好的电特性，即，其介电函数的虚数部分对其实 数部分的比率(即，tan δ )低，典型地在10_4与10_2之间，导致在所关注的操作频率下的低 的介电损耗，并且，电介质还要具有优良的热冲击能力(由接触与微带相对的壁的等离子 体所导致的热梯度可以非常高)。因此，由于其优良的抗热冲击性，可以选择硅石或优选地陶瓷，特别是氮化硼或氮 化铝，来作为电介质。 可以使用各种用于冷却微带的装置。根据第一实施例，使冷却剂在设置在电介质 上并在微带上方的绝缘壳中循环，所述冷却剂是电绝缘的且具有比衬底的固体电介质的介 电常数低的介电常数ε。冷却剂必须具有良好的传热能力。其还必须是良好的电介质，以便既不会干扰电磁波沿着线路传播，也不会通过吸收而耗散大部分的功率。电介质传热流 体可以为，例如，有利地诸如十四烯(C14)的α-烯烃。因此，根据本发明的设备包括设置 在电介质上和微带的顶部上的壳体，其限定了冷却剂的循环。根据第二实施例，通过在微带的整个自由表面上方设置由电介质制成的散热 器来间接地进行冷却，其中该散热器可以为陶瓷并优选具有良好的导热性(例如，铝土 (alumina)或氮化铝)，冷却剂在该散热器中循环。在该情况下，因为冷却剂不直接接触微 带而进行循环，而是与其相距一定的距离，因此冷却剂并没有在高电磁功率密度的区域中 循环，并且不局限于对 波的低吸收，因此流体可以为水。根据第三实施例，在用中空细长导体部件取代微带的情况下，冷却剂在该部件的 中空部分中循环。冷却剂可以为水，因为在中空部件的内壁上的电磁场为零。这是因为该 部件的壁厚度远远大于趋肤深度。该解决方案提供了优于上述冷却系统的冷却并能够流动 通过更大的甚高频电流，因此导致更高的传送功率而不会增加电损耗。因此从电学观点出 发，与面微带线路(plane microstrip line)相比，可以把由此用矩形、方形或圆形横截面 的中空导体形成的线路比作混合结构。在实验上，已经证实了该类型的线路具有相对接近 于微带结构的特征阻抗。不再具有中间散热器这一事实显著简化了设置，并且通过与面微 带结构的设置相同的夹持机构来提供电极与电介质之间的接触。根据另一实施例，根据本发明的设备还具有至少一个用于冷却电介质的装置。冷 却装置可以由设置在电介质中的通道构成，冷却剂循环通过该通道。另一装置的要点是将 电介质设置在具有通道的支持物上，冷却剂循环通过该通道。为了不向外部环境发射微波，一些微波是功率的浪费并导致操作者安全或电磁兼 容性问题，因此将通过微带线路形成的微波功率耦合设备封闭在用作法拉第罩的导电壳中 是有利的。依赖于所使用的频率，用于根据本发明的设备的功率源直接由应用于电信的功率 半导体工业转变而来。基于该“固态”技术的功率发生器比基于真空管的发生器(例如由 开关模式功率源供给的磁控管)更紧凑且更可靠。与磁控管不同，固态功率发生器不需要 维护，特别地，免除了磁控管的周期性更换。此外，这些发生器的成本随中量和高量生产而 迅速下降。可通过以下各种方式提供微带线路-在行波模式中，将甚高频波发生器连接到微带的仅仅一端并将阻抗匹配的负载 连接到微带的另一端；-在行波模式中，将甚高频波发生器连接到微带的每一端，以便一方面增加总功 率，另一方面补偿由波传播期间的吸收导致的波衰减，由此维持等离子体。在该情况下，需 要在每一端使用不同的发生器，以便在两个信号之间不存在相位相关，否则会建立驻波模 式；_在驻波模式中，将甚高频波发生器连接到微带的仅仅一端并将可调整的短路 (short circuit)设置在相反端，以提供阻抗匹配；以及-在驻波模式中，将甚高频波发生器连接到分配器(divider)设备，分配器设备的每一个支路被连接到微带的一端。通过标准商业部件(例如，具有50欧姆特征阻抗的同轴电缆)提供线路和连接<formula>formula see original document page 8</formula>根据本发明的设备具有优于波导系统的另外的优点，S卩，还易于实现阻抗匹配。 例如，转换和阻抗匹配组件被以常规匹配电路(由电感器和电容器构成的电路)的形式 制造，而且通过在其中形成四分之一波阻抗变换器(本领域的技术人员公知其原理)或 通过增加适宜长度的微带(在本工业中被称为“短截线(stub)”)作为传播线路突出体 (excrescence)而直接位于微带线路的实际结构中，总之，集成简单，不能去谐(值通过所 采用的电介质的几何形状和特性而固定)并且最优化甚高频功率转移(在连接器和链路中 的低损耗)。因此，在甚高频发生器与微带施加器之间的阻抗匹配可通过T或Π或L电路实现，或通过使用垂直于微带的短截线来实现。阻抗匹配以及由此短截线和微带的尺寸在本领 域的技术人员的能力范围内，并可以通过使用准静态分析而确定，在准静态分析中，出发点 为假设传播模式完全是TEM模(参见以下出版物Gupta et al. , "Microstrip lines and slot lines，，以及 K. C. Gupta, R. Garg and I. J. Bahl (Hartech House,Norwood,MA, 1979))。 特别地，本领域的技术人员了解如何适应其中微带被浸入在介电常数大于1的冷却剂中或 其中介电常数大于1的电介质散热器被压贴在微带上的设备的阻抗。为了同时并均勻地处理较大的面积，组合若干个根据本发明的设备是有利的。通 过并置多个等离子体发生器设置实际上可以在大的面积上产生等离子体片，这在所有情况 下可应用于对运转的连续处理。可以组合所需数目的构成要素来以希望的产量进行连续的表面处理。由此组合的 等离子体发生器设备中的每一个包括至少一个甚高频源，其经由阻抗匹配系统而连接到 被固定于电介质支撑物的微带导体；至少一个用于冷却所述微带的装置；以及至少一个气 体进口，其靠近所述电介质支撑物的与支撑所述微带的一侧相反的一侧。对于需要衬底在活性区域下方行进的在大气压力下操作的表面处理应用，可以构 思可被容易地集成的等离子体模块的各种设置，同时仍受益于该类型的源的固有的简单 性。可以端对端地设置等离子体发生器设备以覆盖衬底的宽度，或者使等离子体发生 器设备沿行进方向偏移以与将被处理的区域重叠。还可以沿行进方向增加等离子体发生器 装置，以便(如果需要)增加与活性区域接触的时间，这依赖于行进速度，特别地，用于提高
生产率。可以借助于执行气体传送和冷却功能以及电磁功率连接的公共基底或机械结构 来将由各设备构成的组合设备(assembly)连接到一起。有利地，通过将甚高频功率发生器的放大器模块与其集成阻抗匹配设备直接连接 到微带，极大地限制连接。具体而言，由借助于执行气体传送和冷却功能以及电磁连接的基底或机械结构而 连接到一起的各等离子体发生器构成的组合设备具有以下优点_制造和集成简单，从而可以进行大规模生产并限制制造成本，而且易于维护；-通过减少与单个连接器(非同轴电缆)的电连接，可以减小将功率传送到等离子 体模块的损耗，这对甚高频部分的设计以及由此对其成本具有重要影响。此外，利用根据本发明的设备，可以使用略小于微波范围的频率的等离子体模块激发频率，例如，434MHz (ISM带)，这使得可以从具有良好产率的所有半导体技术中获益。本发明的另一目的涉及模块化的小尺寸中等功率等离子体炬，其同样受益于与上述优点相同的优点。这些等离子体炬具有与上述施加器相同的设置和形式(微带/扁平 (flat)或中空导体)。更具体而言，纵向通道恰当地通过在其上设置有导体的电介质。经 由一个端部注入气体，并且在通道中形成在整个通道长度内延伸的等离子体。通过改变气 体流速和甚高频功率，可以在炬的端部提取等离子体，或者使用放电后等离子体并由此将 要处理的衬底移远。当然可以最优化通道的横截面，以限制等离子体。因此，根据本发明的等离子体炬包括至少一个甚高频源，该至少一个甚高频源使 其集成阻抗匹配器件连接到固定于电介质支撑物的导体(例如，微带型或中空导体型)；以 及至少一个用于冷却所述导体的装置，所述电介质支撑物被通道纵向穿透，气体经由所述 通道的一端注入，并在所述通道中形成等离子体。因为其简单的设计，因此可以在机器人臂上使用该类型的等离子体炬，以便通过 扫描将被处理的表面来进行等离子体处理。根据本发明的其中一个方面，S卩，根据本发明的设备，与现有技术推荐的情况 (即，在电介质的相反表面上存在至少面对导电传输线的整个表面延伸的接地面)相反地， 根据本发明的设备由此包括接地面，但其绝不是连续的，仅仅小面积的传输线(微带或导 体)面对接地面。将结合附图14、15和16来描述发明的该方面，附图14、15和16示例了其中使用 微带类型的细长导体的情况。图14示例了在具体地由Bilgic等人的团队的工作中所涉及的现有技术的情 况。该结构由微带和完全连续的接地面构成，微带与接地面通过电介质衬底而分隔。在该 情况下，如已经提及的，绝对不可能在由该完全连续接地面形成的几何边界以外维持等离 子体，例如，处理被放置在位于接地面下方的扩展的腔中的衬底。实际上，可以使用另一 种有用的配置，注意，微波边缘场延伸到在微带的边缘与接地面之间限定的横向缝槽的空 间中。当然，如果在位于微带导体和电介质上方的邻近区域中不存在场限制，可替代地， 可以在该区域中产生扩展的等离子体(通过可选地在该区域与衬底之间提供电介质上底 (superstrate))，微带导体线路被夹于中间，于是该衬底能够构成处理腔的窗口。然而，该 设置几乎没有优点，因为一方面其更加复杂，并且另一方面仅仅通过限定在微带导体与接 地面之间的缝槽泄漏的边缘场来维持等离子体，因此在空间上是不连续的。特别地，在大气 压力下，这是非常严重的缺点，由于短的平均自由程，因此难以使等离子体均勻以便在实践 中可用。与自由空间中的波长相比，微带导体的宽度和衬底的厚度很小。沿这样的线路的 传播模式大致上(to a firstapproximation)为TEM模。然而，还可以构思其中活性传导 部分替代地为矩形形式的实施例。然而，该设置先验地并不优于上一个。总之，其中存在完全连续的接地面(Bilgic等人的或其他类型)的配置看起来具 有特别难以接受的缺点。如上所述，本发明归功于将等离子体片视为具有本征电势的导体的构思，因此该 导体可以完美地用作接地参考。于是获得了图15所示的设置。在该情况下，场波还延伸 到等离子体中。为了 “发射(launch)”这样的波，必须使在传播线路的直边段(straight section)中的适宜的场分布强加在线路的开始处。
本发明由此在线路开始处(在微波进入的点处)提供局部(partial)金属接地 面，其足以发射并维持行波的传播并在线路的整个长度上维持连续的等离子体，该等离子 体面对线路并在电介质下方。更一般地，根据发明的一个实施例，使用接地面片段(fraction)，但其垂直于传播 线路的投影截取了(intercept)线路的小面积的截面。因此，附图16-a)和16_b)示例了本发明的两个实施例。在传输线的入口处的波发射区域具有常规结构，具有微带、金属接地面以及用作 衬底的处理腔的电介质壁。金属接地面在距入口短的距离处被中断并被在导体线路的整个 剩余长度上方随微带延伸的等离子体所取代(图16-a))。但是，可替代地，由于电介质壁与等离子体片之间的界面可以形成电磁波的导引 结构，因此还可以不必使微带延伸为基本上超过金属接地面的边界(图16-b))。在该情况 下，于是获得设备和表面波等离子体模式的模拟，但却为面几何形状。微带的面对接地面片段的局部表面可以不仅仅在线路 的开始(端边缘)，而是还 可以采取微带的横向边缘与接地面边界线重叠的形式。例如，可以在接地面表面中打开基 本上匹配微带的形状但稍小的窗口。


现在将参考附图详细地解释本发明的其他特征和优点，在附图中图Ia-Ib示出根据本发明的设备的实施例的前视图和截面视图，其中微带是弯曲 形状的面，能够通过放电后等离子体处理非平面表面；图2a_2b示出根据本发明的设备的实施例的前视图和截面视图，其中微带具有翘 曲形状，能够以等离子体直接处理衬底的非平面表面；图3a_3b示意性示出微带导体与甚高频发生器的各种连接；图4a_4c示意性示出匹配设备的阻抗的可能的方式；图5示出具有面微带的根据本发明的设备的横截面，该设备设置有第一实施例的 冷却装置；图6示出具有面微带的根据本发明的设备的横截面，该设备设置有第二实施例的 冷却装置；图7和8示出具有中空横截面的传播线路部件的根据本发明的第二实施例的设 备，该中空横截面的传播线路部件是微带的替代物；图9a和9b是根据本发明的设置有面微带的设备的纵截面和横截面表示；图IOa和IOb是根据本发明的设置有中空截面的传播线路部件的设备的纵截面和 横截面表示，该中空横截面的传播线路部件是微带的替代物；图11示出根据本发明的设备的组合设备的横截面；图12示出了根据本发明的设备的另一组合设备的横截面；图13a和13b示出采用根据本发明的设备的等离子体炬的纵截面和横截面；图14示例出在具体地由Bilgic等人的团队的工作中所涉及的现有技术的情况；图15示出根据本发明的设置；以及图16-a)和16_b)示例出本发明的两个实施例。
具体实施例方式图Ia和Ib示意性示例了根据本发明的设备1，其中，具有弯曲形状的面的微带2 被连接到甚高频发生器。该微带2被固定到电介质支撑物3的表面，该支撑物3的一个边 缘与微带的一个弯曲边缘一致。在电介质中设置缝槽4，气体被注入到缝槽4中，并且在缝 槽4中产生等离子体5。将被处理的衬底6平均地垂直于微带的面并具有与电介质和微带 的曲率匹配的翘曲形状，在设备下方沿箭头指示的方向驱动衬底6。根据该实施例，衬底垂 直于微带，该处理为放电后等离子体处理。图2a和2b示意性示例了根据本发明的设备7，其中翘曲形状的微带8被连接到甚 高频发生器。该微带8被固定到电介质9的实际翘曲的表面。靠近电介质的面9a引入气 体，并在与微带8相对的面9a下方产生等离子体10。将被处理的衬底11具有与电介质9 和微带8的翘曲形状匹配的翘曲形状，在设备7下方沿箭头指示的方向驱动衬底11。在该 实施例中，由于衬底11垂直于微带，该处理为直接等离子体处理。图3a到3d示意性示出了将微带导体连接到甚高频功率源的各种方式。由此，根 据第一实施例(图3a)，微带12被供给，以沿着微带传播行波。经由例如具有50 Ω (该值 通常对应于工业标准)的特征阻抗的同轴线路将甚高频范围发生器连接在微带12的仅仅 一端12a，另一端12b被连接到匹配阻抗负载14，也就是说，在与到发生器的连接相反的所 述端处不存在波的反射，因此沿着微带不存在驻波。在该实施例中，波的强度沿微带非常显 著地减小，这是因为为了维持等离子体而逐渐吸收功率。因此，等离子体沿微带并不十分均 勻。根据第二实施例，如图3b所示，微带15被供给，以传播从其每一端开始的两个相 对的行波，使得二者的强度相加。为了该目的，微带的一端15a经由同轴线路17而被连接 到第一甚高频波发生器16，并且微带的相反端15b经由同轴线路18而被连接到第二甚高频 波发生器19。因为两个分离的发生器的信号的相位不相关，因此被加到一起的是两个相向 传播的波的强度，而不是其幅度(振幅相加会导致通过干涉而产生驻波)，从而部分地补偿 了在一端具有单一的源时所观察到的梯度。
根据图3c所示例的第三实施例，微带20被供给，以沿微带产生驻波。微带20的 一端经由同轴线路21而被连接到甚高频发生器。短路设备22被连接到另一端20b。该短 路设备22是可调的，以便改变复反射系数并匹配阻抗，从而最优化驻波的特性。根据图3d所示例的第四实施例，微带23被供给，以沿微带产生驻波。甚高频发生 器经由同轴线路24而被连接到功率分配器设备25 (本领域的技术人员公知的标准工业设 备)，分配器设备25的每一个支路26a和26b被连接到微带的一端23a和23b。由于来自 同一发生器的波的相位是相关的，因此显然被加到一起的是波的振幅而不是其强度，导致 由干涉形成驻波。作为功率分配器，例如，可以使用文献中已知的Wilkinson型设备。图4a到4c示意性示出了三种阻抗匹配模式。由此，在图4a中，通过阻抗匹配电路(在该具体情况下为T-网络)28将甚高频发 生器连接到微带27。在图4b中，甚高频发生器被直接连接到微带29的设置有长度为L且 宽度为W的微带短截线30的一侧，该短截线垂直于微带29。通过选择几何参数L和W，可以 修改短截线的电效果，并由此对产生的系统阻抗进行所需的修正。在图4c中，甚高频发生器通过四分之一波阻抗变换器而被连接到微带31，该四分之一波阻抗变换器形成在位于主 微带的纵向扩展部分中的微带32中并具有λ/4的有效电长度，λ为在所关注的甚高频处 沿附到给定介电常数的衬底的微带线路而传播的波长。四分之一波阻抗变换器的作用为使 来自发生器的入射功率“看到”这样的有效阻抗，该有效阻抗等于形成场施加器的主微带线 路的特征阻抗，从而引发(ignite)等离子体(微带/等离子体组合构成复数负载(complex load))。在传输线路上设计四分之一波阻抗变换器的一般规则是公知的。如果Z。为发生 器的输出阻抗并且4为微带线路的特征阻抗(已引发等离子体)，四分之一波变换器的阻 抗 Zt 将为<formula>formula see original document page 12</formula>图5示出了根据本发明的设备33的横截面，该设备33包括被固定到电介质的微 带34，该电介质为具有形成通道36的细长凹陷并被设置在由传导性材料构成的支撑物37 上的平行六面体部件，支撑物37形成了电参考面，缝槽38穿透支撑物37的整个高度，并且 在该缝槽的每一侧，相对于缝槽38对称的纵向缝槽39a和39b穿透支撑物37，通过缝槽提 供气体。导电支撑物37用作上述的局部接地面，缝槽38比微带34更窄并更短，以便面对 微带的端部并在其整个长度范围内相对微带的横向边缘而存在导电接地面片段。固定到支 撑微带34的电介质的上面35a的是由电介质材料形成的壳40，电介质冷却剂41在该壳中 循环，整个微带34与冷却剂41接触。法拉第罩42包围电介质35和用于限制冷却剂的壳 40。在通道36中产生等离子体43，活性物种经由缝槽38而沿箭头方向逃逸，这是因为活性 物种被气流所夹带。图6示出了根据本发明的设备44的横截面，其与图5的实施例的区别在于用散热 器45取代包含与微带接触的冷却剂的绝缘壳，散热器45是由压贴在微带34的上面表面 (在与衬底和等离子体相反的一侧)上的电介质材料构成的平行六面体，通道47穿透散热 器45，冷却剂48在通道47中循环，冷却剂48不再需要在所关注的甚高频下为非常良好的 电介质，而是可以为例如水。图7示出了根据本发明的设备49的横截面，其与图6所示的实施例的区别在于用 传输线路部件50取代微带34和电介质散热器45，传输线路部件50为圆形横截面的中空导 体部件，冷却剂51在传输线路部件50中循环。当然，为了匹配导体部件50的形状，已经修 改了电介质35的表面35a。图8示出了根据本发明的设备52的横截面，其与图7所示的实施例的区别在于传 输线路部件53为矩形横截面的中空导体，冷却剂51在传输线路部件53中循环。于是，电 介质35的表面35a为面，这与图5和图6示出的实施例的情况相同。具有例如图6的冷却系统的等离子体发生器设备54被完全示出在图9a和9b中。 该设备54由以下层叠在彼此的顶上的各种部件构成-基底55，其被两个对称的纵向通道56a和56b以及两个对称的通道57a和57b 穿透，水在两个对称的纵向通道56a和56b中循环，两个对称的通道57a和57b用于传递进 入放电的气体，基底55在中心处具有用于从等离子体59提取活性物种的输出缝槽58，因为 与电介质衬底接触的等离子体释放热，所以需要冷却基底；-电介质60，其在所述缝槽58上方形成与微带62相同宽度和相同长度的通道61；-该微带62由传导性金属带构成，其连接到用于传送来自发生器的甚高频功率的 连接器；以及
-陶瓷电介质散热器63，其具有纵向通道64，水在该纵向通道64中循环，该散热器 63压贴微带62的整个表面。用于夹持叠层的夹持系统65能够使各部件压贴在基底55上并保持在基底55上 的适当的位置。位于下部的0环密封(未示出)密封发生放电的体(volume)。整个设备被封闭在用作法拉第罩的导电壳66中，以避免任何辐射泄漏到外部环 境，这与安全性和电磁兼容性问题相关。具有诸如图7的冷却系统的等离子体发生器设备67被完全示出在图IOa和IOb中。该设备67与图9a和9b的设备的区别在于，用在其中循环水的中空圆形横截面的 纵向传输线部件取代微带62/绝缘散热器63的组合件。该传输线路部件通过插入在叠层 的剩余部分中的电介质间隔物而保持在适当的位置 ，并通过夹持装置70而被固定。图11示出了三个(作为实例给出，可以增加该数目而没有特别的限制)等离子体 发生器设备的组合设备71，每一个等离子体发生器设备包括用于向微带导体73供给甚高 频功率的甚高频供给模块72。通过电介质散热器74冷却微带，水循环通过电介质散热器 74的内部通道75。微带被固定到电介质衬底76。通过包含空气供给线路79和冷却水供给 线路80的分配块(distribution block)将各单元保持在一起，每一个单元都包括微带、电 介质、甚高频供给以及电介质散热器。在面向微带的电介质衬底的下表面上产生等离子体 81。将被处理的衬底82在每一个等离子体源下方行进。如果衬底82是传导性的，例如，如 果要处理钢或铝片，则该衬底用作接地面。如果衬底为电介质，必须在电介质箱76的下方 设置接地面片段(未示出)，例如，在垂直于图面的方向上从微带的被供给功率的那一端延 伸有限距离的面导电部件(图16的一般设置)。图12示出了包括两个电介质84/微带85单元(单元的该数目不是限制性的)的 另一类型的组合设备83，其使等离子体86形成在经由气体入口 88供给气体的缝槽87中。 气体接下来被夹带到气体出口 89。通过在围绕微带的通道90中循环电介质冷却剂来冷却 微带。通过在通道92中循环的水冷却分配块91。根据本发明的总原则，为维持作为电势参 考的等离子体并消除共振系统，限定了面向微带85的缝槽87的接地块将由这样的导电材 料构成，该导电材料仅在从微带的被供给功率的那一端开始延伸有限长度，该块的总长度 的剩余部分(沿垂直于图面的方向)可以由电介质棒构成。图13示出包括基底94的等离子体炬93，基底94包含共轴纵向通道95，通道95 在一端封闭，水在该通道95中循环，在另一端具有入口和出口。在该基底94上方设置电介 质96，该电介质96被纵向通道97恰当地穿透，气体被注入通道97中，并在通道97中产生 等离子体98。连接到甚高频发生器的微带99被固定在电介质上方。在微带99的自由面上 设置电介质散热器，水101在该电介质散热器中循环。该组合件被插入到法拉第罩102中。
权利要求
一种等离子体发生器设备(1)，其包括具有100MHz以上的频率的至少一个功率源，所述源经由阻抗匹配系统而被连接到细长导体(2)，所述细长导体在其整个下表面的范围内被以紧密接触的方式固定到电介质支撑物(3)；至少一个用于冷却所述导体的装置；以及至少一个气体进口，所述气体进口靠近所述电介质支撑物的与支撑所述导体的一侧相反的一侧。
2.根据权利要求1的设备，其特征在于，所述导体具有一毫米的量级的厚度。
3.根据权利要求1或2的设备，其特征在于，所述导体为微带。
4.根据权利要求1或2的设备，其特征在于，所述导体为中空细长部件，特别地，所述导 体为具有圆形、矩形或方形横截面的中空细长部件。
5.根据上述权利要求中的一项的设备，其特征在于，其包括局部电接地面，所述局部电 接地面位于面对所述电介质的与支撑所述导体的一侧相反的一侧的面，所述接地面的局部 特性通过这样的事实表达，即，仅仅小面积的所述导体线路面对接地面。
6.根据权利要求5的设备，其特征在于，所述局部接地面位于所述导体线路的起始处， 艮口，微波进入所述设备的点处。
7.根据权利要求6的设备，其特征在于，微波发射区域在所述导体线路的输入处具有 常规结构，在所述常规结构中组合有所述细长导体、所述电介质以及所述局部接地面，所述 接地面在距所述导体线路的所述输入的短距离处被中断，并接着被在所述导体线路的整个 剩余的长度范围内随所述导体延伸的所述等离子体所取代。
8.根据权利要求6的设备，其特征在于，微波发射区域在所述导体线路的输入处具有 常规结构，在所述常规结构中组合有所述细长导体、所述电介质以及所述局部接地面，所述 接地面在距所述导体线路的所述输入的短距离处被中断，并接着被所述等离子体所取代， 所述导体延伸为基本上不超过所述接地面的边界。
9.根据上述权利要求中的一项的设备，其特征在于，所述导体由选自黄铜和优选的铍 铜的铜合金制成。
10.根据权利要求1-9中的任一项的设备，其特征在于，所述导体被机械地固定到所述 电介质。
11.根据权利要求1-9中的任一项的设备，其特征在于，所述导体被丝网印刷到所述电 介质上。
12.根据权利要求1-11中的任一项的设备，其特征在于，所述电介质的介电损耗正切 tan δ 在 10-4 与 10-2 之间。
13.根据上述权利要求中的一项的设备，其特征在于，所述电介质为硅石或陶瓷，优选 地为氮化铝或氮化硼。
14.根据权利要求1-13中的任一项的设备，其特征在于，所述设备被设置在用作法拉 第罩的导电壳中。
15.根据上述权利要求中的一项的设备，其特征在于，在所述导体线路的所述电介质衬 底上和所述导体上方设置电介质壳，并且低介电损耗的冷却剂在所述壳中循环。
16.根据权利要求1-14中的任一项的设备，其特征在于，在所述导体的整个自由面上 方设置由电介质材料制成的散热器，冷却剂流动通过该散热器。
17.根据权利要求1-14中的任一项的设备，其特征在于，所述细长导体为中空纵向导体，在其每一端处设置有用于循环冷却剂的开口。
18.根据权利要求1-16中的任一项的设备，其特征在于，其包括用于冷却所述电介质 衬底的装置。
19.根据权利要求18的设备，其特征在于，所述电介质具有通道，冷却剂在该通道中循 环，或者特征在于，所述电介质被设置在具有通道的支撑物上，冷却剂在该通道中循环。
20.根据上述权利要求中的一项的设备，其特征在于，所述导体的表面涂敷有金属的涂 层，所述金属为良好的电导体并抗氧化，例如金。
21.根据上述权利要求中的一项的设备，其特征在于，所述阻抗匹配系统由在所述导体 的实际结构中制造的阻抗匹配部件制成。
22.—种等离子体发生器设备，其特征在于，其由至少两个，优选2到15个，更优选3-8 个根据权利要求1到21中的任一项的设备的组合设备构成。
23.一种等离子体炬，包括至少一个甚高频源，其经由阻抗匹配设备而被连接到固定 于电介质支撑物的细长导体(2)；以及至少一个用于冷却所述导体的装置，所述电介质支 撑物被通道纵向穿过，气体经由所述通道的一端而被注入，并且等离子体在所述通道中形 成，通过经由相反的一端的气流来提取所述等离子体的活性物种。
全文摘要
本发明涉及一种等离子体发生设备，其包括至少一个甚高频源(＞100MHz)，所述甚高频源经由阻抗适配设备而被连接到附在电介质衬底上的细长导体；至少一个用于冷却所述导体的装置；以及至少一个气体供给，其位于所述电介质衬底的与支撑所述导体的一侧相反的一侧的附近。本发明还涉及使用所述设备的等离子体炬。
文档编号H05H1/24GK101803471SQ200880107802
公开日2010年8月11日 申请日期2008年9月16日 优先权日2007年9月20日
发明者D·介朗, J-C·罗斯坦, M·穆伊桑, Z·扎科泽斯基 申请人:乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司