基于波导缝隙馈电多模腔的双频微波低气压等离子源

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1.本发明涉及等离子源领域，特别涉及一种基于波导缝隙馈电多模腔的双频微波低气压等离子源。

背景技术：

2.近年来，低气压等离子体的研究越来越热门。相比大气压等离子体而言,它具有非常可观的应用价值，也逐渐在许多领域得到了应用，如材料处理和半导体清洁等领域。半导体晶片超细微加工处理、平板显示器、太阳能电池生产、生物医学高分子薄膜改性及高聚物的表面改性等领域近年来的迅速发展,对作为这些领域的关键技术之一的等离子体源提出了新的挑战。迫切要求集放电稳定、再现性好、低压化、大面积均匀化等优点于一身的新一代等离子体源取代传统等离子体源,以促进这些领域向更高发展。如下一代ulsi(ultra large-scale integration)器件(如12in晶片)处理需要直径30cm以上的高密度均匀型等离子体,平板显示器和太阳能电池生产、布料和塑料等高分子材料的表面改性等需要更大面积的等离子体(直径大于50cm)。
3.在此背景下发展了一批新型等离子体源:电子回旋共振等离子体源(ecr)、回旋波等离子体源、电感耦合等离子体源(icp)，其具有低气压高密度等显著优点，但仍然存在放电面积小，放电不均匀，处理过程可重复性差的问题。
4.同时，现有的大气压等离子体源产生的等离子体面积小，放电不稳定，对于材料的处理并不高效，另外，已有的微波低压等离子源都是采用单一频率激发等离子体，所产生的等离子体均匀度有待提升。
5.如何设计具有放电稳定、再现性好、大面积均匀等优点的等离子体源成为推动当下材料表面处理发展的首要难关。

技术实现要素：

6.本发明提供了一种基于波导缝隙馈电多模腔的双频微波低气压等离子源，以解决至少一个上述技术问题。
7.为解决上述问题，作为本发明的一个方面，提供了一种基于波导缝隙馈电多模腔的双频微波低气压等离子源，包括：第一微波馈电波导、第二微波馈电波导和多模反应腔体，所述第一微波馈电波导与所述多模反应腔体的第一表面连接，所述第二微波馈电波导与所述多模反应腔体的第二表面连接，所述第一表面与所述第二表面处均形成有至少一个波导耦合缝隙，所述耦合缝隙处设置有第一石英玻璃片，所述第一表面的波导耦合缝隙与所述第二表面的波导耦合缝隙中馈入的电磁波传播方向垂直。
8.优选地，所述第一微波馈电波导、第二微波馈电波导匀为矩形波导。
9.优选地，所述多模反应腔体上设置有抽气孔、和/或进气孔、和/或多个备用的气孔。
10.优选地，所述第一微波馈电波导、第二微波馈电波导均设置有滑动短路面。
11.优选地，所述多模反应腔体上形成有观察口，所述观察口处依次设置有第二石英玻璃片和网状截止波导。
12.优选地，所述第一微波馈电波导、第二微波馈电波导所连接的微波源的工作频率相同或不同。
13.优选地，所述第一微波馈电波导、第二微波馈电波导所连接的微波源的工作频率均为915mhz或均为2450mhz。
14.优选地，所述第一微波馈电波导所连接的微波源的工作频率为915mhz，所述第二微波馈电波导所连接的微波源的工作频率均为2450mhz。
15.优选地，所述微波源为磁控管、行波管、束调管、或固态源。
16.优选地，所述多模反应腔体中的气体流速可调节和/或气体压强可调节。
17.与大气压微波等离子体相比，本发明中的低气压微波等离子体激发等离子体的面积更大，放电更加稳定；采用双频馈源的方式弥补了现有技术中单频馈源在等离子体均匀性上的不足；两个馈源采用相互垂直馈入的方式减少耦合干扰；采用沿波导电磁波传播方向进行开缝，使得馈入反应腔体的电磁波更加的均匀，这样产生的等离子体也更加均匀。
附图说明
18.图1示意性地示出了本发明的立体图一。；
19.图2示意性地示出了本发明的立体图二；
20.图3示意性地示出了本发明的立体图三。
21.图中附图标记：1、第一微波馈电波导；2、第二微波馈电波导；3、多模反应腔体；4、波导耦合缝隙；5、第一石英玻璃片；6、抽气孔；7、进气孔；8、气孔；9、滑动短路面；10、第二石英玻璃片；11、网状截止波导；
具体实施方式
22.以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
23.本发明涉及低气压等离子体领域，是一种应用于材料处理而设计的大面积均匀等离子体源，其中，多模指的是腔体中有多种(同一频率下)模式的电磁波，如te30模式、tm12模式等等。
24.为了材料处理的需求,本发明从高效实用、安全稳定等角度出发,从等离子体放电稳定性，大面积均匀化等方面考虑，作为本发明的一个方面，提供了一种基于波导缝隙馈电多模腔的双频微波低气压等离子源，包括：第一微波馈电波导1、第二微波馈电波导2和多模反应腔体3，所述第一微波馈电波导1与所述多模反应腔体3的第一表面连接，所述第二微波馈电波导2与所述多模反应腔体3的第二表面连接，所述第一表面与所述第二表面处均形成有至少一个波导耦合缝隙4，所述耦合缝隙4处设置有第一石英玻璃片5，所述第一表面的波导耦合缝隙4与所述第二表面的波导耦合缝隙4中馈入的电磁波传播方向垂直。优选地，所述第一微波馈电波导1、第二微波馈电波导2匀为矩形波导。
25.在一个实施例中，为使多模反应腔体3中的电场分布更均匀，本发明采用了两种微波频率同时工作，分别为915mhz和2450mhz。微波能量经两个矩形波导(第一微波馈电波导
1、第二微波馈电波导2)的波导耦合缝隙4耦合馈入多模反应腔体3中，且两个馈波的波导相互垂直地往腔体中馈入微波能量，因此，可最大程度避免两个频率间的耦合干扰。
26.为进一步使多模反应腔体3中的电场分布更均匀，第一微波馈电波导1、第二微波馈电波导2沿其纵向开了多个波导耦合缝隙4，以使微波能量能均匀地馈入多模反应腔体3中。
27.波导耦合缝隙4与多模反应腔体3间加载了第一石英玻璃片5，用于对多模反应腔体3进行密封，以提供低压的工作环境。
28.优选地，所述多模反应腔体3上设置有抽气孔6、和/或进气孔7、和/或多个备用的气孔8，其中，气孔8可用作抽气孔、进气孔7、等离子体诊断孔等用途。通过这些气孔8，可以往腔体里通气、或者抽气、或者用来伸入朗缪尔探针，从而测量多模反应腔体3中不同位置处等离子体的性质。
29.优选地，所述第一微波馈电波导1、第二微波馈电波导2均设置有滑动短路面9。这样，可在馈波波导第一微波馈电波导1、第二微波馈电波导2处分别加载扼流滑动短路面，以实时调节短路面的位置，改变耦合孔处的阻抗，从而改变耦合进去多模反应腔体3的能量。
30.为方便观察、研究腔体中的等离子体激发情况，且方便放置和取出被处理样品，本发明在腔体的两侧对开了两个方形大孔，用石英玻璃进行气密密封，外面加了网状的截止波导，以使得能观察腔内等离子体的同时，防止微波泄漏。优选地，所述多模反应腔体3上形成有观察口，所述观察口处依次设置有第二石英玻璃片10和网状截止波导11。
31.优选地，所述第一微波馈电波导1、第二微波馈电波导2所连接的微波源的工作频率相同或不同。例如，在一个实施例中，优选地，所述第一微波馈电波导1、第二微波馈电波导2所连接的微波源的工作频率均为915mhz或均为2450mhz。在另一个实施例中，优优选地，所述第一微波馈电波导1所连接的微波源的工作频率为915mhz，所述第二微波馈电波导2所连接的微波源的工作频率均为2450mhz。
32.优选地，所述微波源为磁控管、行波管、束调管、或固态源。
33.优选地，所述多模反应腔体3中的气体流速可调节和/或气体压强可调节。
34.工作时，将第一微波馈电波导1、第二微波馈电波导2分别与微波源连接，再将工质气体从进气孔注入，在抽气孔处连接上抽气泵，形成低压环境。微波能量通过第一微波馈电波导1、第二微波馈电波导2的波导耦合缝隙4馈入多模反应腔体3，两个频率的微波能量在多模反应腔体3中振荡，相互补充，从而得到较均匀的电场强度分布。此外，可调节微波源的输出功率，当其到达某一值时，多模反应腔体3中的电场强度击穿多模反应腔体3内的气体，产生等离子体。由于本发明在低压的环境下进行，所以会产生面积较大的等离子体，同时由于两种频率的相互补充，多模反应腔体3内的等离子体较单频时更加的均匀。
35.由于采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：(1)微波源可以是磁控管，行波管，束调管或固态源等。(2)工作频率可以是915mhz或2450mhz，或915mhz和2450mhz共同作用。(3)两个馈电波导的终端分别配置有滑动短路面，可随时调节滑动短路面的位置来调整整个装置的阻抗，使更多微波能量馈入腔体中。(4)两个馈波波导采用垂直馈电方式。(5)所用激发气体种类无固定要求，可以是空气，氩气，氦气，氮气等，或混合气体。(6)可以根据所通气体的种类来调节微波功率，或对同一种气体使用不同的微波功率，以获取不同性质的等离子体。(7)气体的流速可调。(8)反应腔体内的压强可调。
36.与大气压微波等离子体相比，本发明中的低气压微波等离子体激发等离子体的面积更大，放电更加稳定；采用双频馈源的方式弥补了现有技术中单频馈源在等离子体均匀性上的不足；两个馈源采用相互垂直馈入的方式减少耦合干扰；采用沿波导电磁波传播方向进行开缝，使得馈入反应腔体的电磁波更加的均匀，这样产生的等离子体也更加均匀。
37.本发明采用双频馈电，由于不同频率激发的等离子体对材料处理的效果不同，那么两种不同频率的等离子体相互作用后对材料处理的效果也有可能不同，这为材料处理提供了更多的选择。
38.使用时，将所需要处理的材料放入多模反应腔体3内部，工质气体从气体钢瓶通入多模反应腔体3的进气孔，打开抽气孔处的抽气泵,启动微波源，调节微波输出功率和滑动短路面，反应腔体内部产生高场强，击穿工质气体进行气体放电,电离气体形成等离子体束，充满整个空间，覆盖在待处理材料大的表面，以达到处理的目的。
39.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于波导缝隙馈电多模腔的双频微波低气压等离子源，其特征在于，包括：第一微波馈电波导(1)、第二微波馈电波导(2)和多模反应腔体(3)，所述第一微波馈电波导(1)与所述多模反应腔体(3)的第一表面连接，所述第二微波馈电波导(2)与所述多模反应腔体(3)的第二表面连接，所述第一表面与所述第二表面处均形成有至少一个波导耦合缝隙(4)，所述耦合缝隙(4)处设置有第一石英玻璃片(5)，所述第一表面的波导耦合缝隙(4)与所述第二表面的波导耦合缝隙(4)中馈入的电磁波传播方向垂直。2.根据权利要求1所述的基于波导缝隙馈电多模腔的双频微波低气压等离子源，其特征在于，所述第一微波馈电波导(1)、第二微波馈电波导(2)匀为矩形波导。3.根据权利要求1所述的基于波导缝隙馈电多模腔的双频微波低气压等离子源，其特征在于，所述多模反应腔体(3)上设置有抽气孔(6)、和/或进气孔(7)、和/或多个备用的气孔(8)。4.根据权利要求1所述的基于波导缝隙馈电多模腔的双频微波低气压等离子源，其特征在于，所述第一微波馈电波导(1)、第二微波馈电波导(2)均设置有滑动短路面(9)。5.根据权利要求1所述的基于波导缝隙馈电多模腔的双频微波低气压等离子源，其特征在于，所述多模反应腔体(3)上形成有观察口，所述观察口处依次设置有第二石英玻璃片(10)和网状截止波导(11)。6.根据权利要求1所述的基于波导缝隙馈电多模腔的双频微波低气压等离子源，其特征在于，所述第一微波馈电波导(1)、第二微波馈电波导(2)所连接的微波源的工作频率相同或不同。7.根据权利要求1所述的基于波导缝隙馈电多模腔的双频微波低气压等离子源，其特征在于，所述第一微波馈电波导(1)、第二微波馈电波导(2)所连接的微波源的工作频率均为915mhz或均为2450mhz。8.根据权利要求1所述的基于波导缝隙馈电多模腔的双频微波低气压等离子源，其特征在于，所述第一微波馈电波导(1)所连接的微波源的工作频率为915mhz，所述第二微波馈电波导(2)所连接的微波源的工作频率均为2450mhz。9.根据权利要求6所述的基于波导缝隙馈电多模腔的双频微波低气压等离子源，其特征在于，所述微波源为磁控管、行波管、束调管、或固态源。10.根据权利要求1所述的基于波导缝隙馈电多模腔的双频微波低气压等离子源，其特征在于，所述多模反应腔体(3)中的气体流速可调节和/或气体压强可调节。

技术总结

本发明提供了一种基于波导缝隙馈电多模腔的双频微波低气压等离子源，包括：第一微波馈电波导、第二微波馈电波导和多模反应腔体，第一微波馈电波导与多模反应腔体的第一表面连接，第二微波馈电波导与多模反应腔体的第二表面连接，第一表面与第二表面处均形成有至少一个波导耦合缝隙，耦合缝隙处设置有第一石英玻璃片，第一表面的波导耦合缝隙与第二表面的波导耦合缝隙中馈入的电磁波传播方向垂直。本发明激发等离子体的面积更大、放电更加稳定、等离子体均匀性好；两个馈源采用相互垂直馈入的方式减少耦合干扰；采用沿波导电磁波传播方向进行开缝，使得馈入反应腔体的电磁波更加的均匀，这样产生的等离子体也更加均匀。这样产生的等离子体也更加均匀。这样产生的等离子体也更加均匀。