一種螺旋波天線系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種螺旋波天線系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著當(dāng)今半導(dǎo)體制造、材料表面改性、等離子體空間推進(jìn)等前沿科技的迅猛發(fā)展，容性耦合等離子體(CCP)源、感應(yīng)耦合等離子體(ICP)源等傳統(tǒng)的低溫等離子體源已經(jīng)不能滿足日益苛刻的技術(shù)要求。而螺旋波以其高密度、高效率、離子電子能量獨(dú)立控制、遠(yuǎn)程處理、可調(diào)自偏壓等突出優(yōu)勢(shì)，成為了當(dāng)前先進(jìn)低溫等離子體源的研究熱點(diǎn)之一。螺旋波是一種僅在有界磁化媒介中傳播的右圓極化(RCP)的哨聲波，其頻率在電子回旋頻率與離子回旋頻率之間?？梢赃@樣簡(jiǎn)單闡述螺旋波等離子體的產(chǎn)生過(guò)程:在施加軸向的直流(DC)磁場(chǎng)的前提下，螺旋波等離子體產(chǎn)生于圓柱形的有界空間中。首先，反應(yīng)氣體被天線的靜電電壓弱電離，之后在磁場(chǎng)作用下，等離子體中將產(chǎn)生圓極化的螺旋波。波能量被耦合轉(zhuǎn)移給等離子體中的粒子后，等離子體被進(jìn)一步電離，最終獲得高密度HffP (等離子體)。
[0003]傳統(tǒng)的螺旋波等離子體源結(jié)構(gòu)由3部分構(gòu)成，如圖1所示，包括放電室、射頻天線、磁場(chǎng)線圈。放電室:通常為一段絕緣管(石英管或陶瓷管)，絕緣管一端開(kāi)口，另一端僅留一進(jìn)氣口。射頻天線:通常為纏繞于放電室外表面的導(dǎo)體。磁場(chǎng)線圈:激發(fā)螺旋波所需的直流磁場(chǎng)由兩個(gè)或好多個(gè)圍繞放電室的螺線管產(chǎn)生。
[0004]作為將功率源能量傳輸給等離子體的媒介，天線是螺旋波等離子體源的核心和關(guān)鍵，一個(gè)設(shè)計(jì)合理的天線系統(tǒng)對(duì)能否產(chǎn)生穩(wěn)定高效的螺旋波等離子體起關(guān)鍵作用。根據(jù)天線與真空室的空間位置關(guān)系，螺旋波等離子體源天線系統(tǒng)主要有兩種不同形式:外置式和浸沒(méi)式。外置式顧名思義就是天線置于真空外，由于天線不與真空室接觸，能夠較好的避免天線電極對(duì)真空內(nèi)樣品的污染，通常用于材料處理的螺旋波等離子體源常采用這種設(shè)計(jì)，由于螺旋波放電必須要一段絕緣管作為放電室，因此采用這種設(shè)計(jì)的等離子體源的真空腔體往往非常復(fù)雜，裝置的適應(yīng)性較弱；其次，由于天線外置于真空腔室，必須額外考慮天線屏蔽，這將大大增加螺旋波等離子體源的制造成本。最后，由于太空的真空環(huán)境限制，作為空間推進(jìn)器的螺旋波等離子體源天線系統(tǒng)不可能采用外置式，所以，將整個(gè)天線都置于真空室內(nèi)的浸沒(méi)式天線系統(tǒng)適用性更廣。
[0005]對(duì)于浸沒(méi)式天線系統(tǒng)，我們希望高密度的等離子體僅僅產(chǎn)生在絕緣管內(nèi)。然而，當(dāng)天線浸沒(méi)在真空室中，射頻電場(chǎng)能夠通過(guò)容性耦合在絕緣管外部產(chǎn)生寄生等離子體。這種寄生等離子體將會(huì)接觸并濺射天線材料，導(dǎo)致天線材料沉積涂覆在系統(tǒng)元件上產(chǎn)生不良后果，比如，如果絕緣管被濺射沉積上天線材料，整個(gè)放電條件就會(huì)改變。此外，寄生放電對(duì)等離子體精確診斷研究也有極大危害，因?yàn)槲覀儾磺宄Ｗ泳烤故莵?lái)自螺旋波放電還是寄生放電。除了寄生放電外，有的研究表明當(dāng)給浸沒(méi)式的天線增加射頻功率時(shí)可能會(huì)引起真空腔室內(nèi)壁的打火現(xiàn)象，我們稱(chēng)之為微弧放電，微弧放電會(huì)擾動(dòng)等離子體，影響螺旋波放電的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。最后，大功率下運(yùn)行天線內(nèi)電流較大，歐姆發(fā)熱非常嚴(yán)重，由于天線浸沒(méi)于真空，散熱較為困難，如果天線溫度持續(xù)升高，將會(huì)嚴(yán)重影響放電穩(wěn)定性，嚴(yán)重的甚至?xí)龎碾姌O。這些問(wèn)題如不解決，將嚴(yán)重影響我們?cè)谳^大氣體流量、較大射頻功率范圍內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)長(zhǎng)時(shí)間螺旋波放電。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種提高射頻功率利用率、放電穩(wěn)定性和等離子體密度的螺旋波天線系統(tǒng)。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種螺旋波天線系統(tǒng)，包括絕緣管、繞設(shè)在所述絕緣管上的右旋天線、套設(shè)在所述右旋天線外的絕緣層以及套設(shè)在所述絕緣層外的屏蔽套筒，所述屏蔽套筒的一端呈封閉狀且連接有進(jìn)氣管，所述絕緣管的一端與所述屏蔽套筒的一端抵接，所述進(jìn)氣管與所述絕緣管連通，所述屏蔽套筒的外周面上設(shè)置有屏蔽管。
[0008]本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，一種螺旋波天線系統(tǒng)進(jìn)一步包括所述右旋天線由紫銅管制成。
[0009]本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，一種螺旋波天線系統(tǒng)進(jìn)一步包括所述絕緣管的另一端開(kāi)口且伸出所述屏蔽套筒的另一端。
[0010]本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，一種螺旋波天線系統(tǒng)進(jìn)一步包括所述絕緣管材質(zhì)為石英。
[0011]本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，一種螺旋波天線系統(tǒng)進(jìn)一步包括所述絕緣層材質(zhì)為陶
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[0012]本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，一種螺旋波天線系統(tǒng)進(jìn)一步包括所述屏蔽套筒材質(zhì)為不銹鋼。
[0013]本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，一種螺旋波天線系統(tǒng)進(jìn)一步包括所述屏蔽管材質(zhì)為招O
[0014]本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中，一種螺旋波天線系統(tǒng)進(jìn)一步包括所述進(jìn)氣管材質(zhì)為聚四氟乙烯。
[0015]本發(fā)明具有以下有益效果:
(1)絕緣管一端被接地屏蔽套筒遮擋，能有效反射螺旋波，具有更高的功率耦合效率，增強(qiáng)電離率，在相同輸入射頻功率下能獲得更高密度的等離子體，提高等離子體密度；
(2)通過(guò)絕緣層和接地屏蔽套筒約束射頻場(chǎng)，避免天線附近的寄生放電及真空腔室內(nèi)壁的微弧放電，將等離子體約束在中心放電絕緣管內(nèi)，提高射頻功率利用率及放電穩(wěn)定性；
(3)右旋天線通過(guò)紫銅管中空水冷，有效解決了現(xiàn)有非水冷天線在大功率長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行條件下由于發(fā)熱引起的不穩(wěn)定性；
(4)采用水冷天線外加套陶瓷絕緣層，并整體改裝接地的全屏蔽螺旋波天線設(shè)計(jì)，有效杜絕了寄生放電、微弧放電等不良影響，具有更好的效率和穩(wěn)定性，為實(shí)現(xiàn)了大功率長(zhǎng)時(shí)間螺旋波穩(wěn)定運(yùn)行提供了保證，為螺旋波等離子體工業(yè)應(yīng)用提供技術(shù)支持；
(5)這種浸沒(méi)式模塊化的天線設(shè)計(jì)能方便應(yīng)用于不同的真空系統(tǒng)，適用性相較于現(xiàn)有天線也有了極大的提升。
【附圖說(shuō)明】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0017]圖1是現(xiàn)有螺旋波等離子體源結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的分解結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的天線系統(tǒng)安裝在真空腔內(nèi)法蘭上的示意圖；
圖4是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的右旋天線的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是采用本發(fā)明天線得到的射流CCD照片；
圖6是采用現(xiàn)有天線得到的射流CCD照片；
圖7是不同天線下等離子體密度隨功率的變化圖；
圖8是不同天線下放電電子密度徑向分布圖；
圖9是不同天線下放電發(fā)射光譜(Ar II區(qū)域)；
圖中:2、絕緣管，4、右旋天線，6、絕緣層，8、屏蔽套筒，10、進(jìn)氣管，12、屏蔽管，14、絕緣筒體，16、缺口，18、屏蔽筒體，20、第一圓弧形屏蔽板，22、第二圓弧形屏蔽板，24、半圓弧形屏蔽板，26、接地端，28、