具有微帶諧振器的等離子體產(chǎn)生裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了一種等離子體產(chǎn)生裝置、一種包括等離子體產(chǎn)生裝置的系統(tǒng)、以及一種產(chǎn)生等離子體和真空UV(VUV)光子的方法。在代表性實(shí)施例中，等離子體產(chǎn)生裝置包括：襯底，其具有第一表面和第二表面；諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)，其布置在所述襯底的第一表面上，所述諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)具有被選擇以支持具有沿諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)的長度的一個(gè)以上電場最大值的至少一個(gè)駐波的尺寸；接地平面，其布置在所述襯底的第二表面上；以及設(shè)備，其配置成在所述電場最大值的位置提供氣體。
【專利說明】具有微帶諧振器的等離子體產(chǎn)生裝置

【背景技術(shù)】
[0001] 等離子體是氣體收集離子、中性原子或分子、以及自由電子。等離子體是導(dǎo)電的， 因?yàn)闊o束縛的帶電粒子很容易耦合至電磁場。盡管"等離子體" 一詞的定義可以不同，但其 通常包括"集體"行為的一些元素，這意味著任何一個(gè)帶電粒子可以與等離子體中的大量其 他帶電粒子相互作用。
[0002] 等離子體在質(zhì)譜應(yīng)用中可被用作光源。例如，微等離子體光電離（MPPI)源可用于 質(zhì)譜儀來提供紫外（UV)光以（光）電離分析物分子。光電離可以通過使用基于等離子體 的燈來實(shí)現(xiàn)，其中光由于激發(fā)稀有氣體原子而被產(chǎn)生。所發(fā)射的UV光可以是基于氣體組合 物的多種波長。
[0003] 有必要提高從等離子體UV源所發(fā)射的輻射的功率。飽和限制往往通過使用單個(gè) RF/微波等離子體源而達(dá)到；提高RF功率實(shí)現(xiàn)在輸出UV輻射功率中的減少的返回。盡管 可以提供RF/微波功率給多個(gè)等離子體產(chǎn)生裝置來提供增加的UV輸出，但是其它的缺點(diǎn)使 此選項(xiàng)沒有吸引力。例如，需要復(fù)合源和復(fù)饋，從而產(chǎn)生更加復(fù)雜且較昂貴的UV源。此外， 每個(gè)部件的諧振頻率不一定被調(diào)諧至輸入RF/微波功率源的頻率。由于每個(gè)部件可以具有 不同的諧振頻率，所以每個(gè)成分將需要其自身指定的RF/微波功率源，并且需要多個(gè)連接。 這會導(dǎo)致更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)來從MPPI實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的UV輸出。這種復(fù)雜性增加了 MPPI的成本 和尺寸。
[0004] 因此，所需要的是至少克服上述已知的UV光源的不足和缺點(diǎn)的等離子體產(chǎn)生裝 置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0005] 參照附圖，結(jié)合下面的詳細(xì)說明，可以最佳地理解代表性實(shí)施例。需要強(qiáng)調(diào)的是各 個(gè)特征并非一定按比例繪制。實(shí)際上，為了清楚起見，可以任意增加或減少尺寸。根據(jù)適用 性和實(shí)用性，類似的附圖標(biāo)記指代類似的元件。
[0006] 圖1是包括根據(jù)代表性實(shí)施例的等離子體產(chǎn)生裝置的系統(tǒng)的簡化的示意性框圖。
[0007] 圖2是根據(jù)代表性實(shí)施例的等離子體產(chǎn)生裝置的透視圖。
[0008] 圖3是表示沿著根據(jù)代表性實(shí)施例的諧振環(huán)在諧振的駐波的電場強(qiáng)度的頂視圖。
[0009] 圖4A示出了在靠近根據(jù)代表性實(shí)施例的電極延伸的區(qū)域的電場線和幅度。
[0010] 圖4B示出了在靠近根據(jù)代表性實(shí)施例的電極延伸的區(qū)域的電場線和幅度。
[0011] 圖5是根據(jù)代表性實(shí)施例的等離子體產(chǎn)生裝置的頂視圖。
[0012] 圖6是根據(jù)代表性實(shí)施例的方法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0013] 在下面的詳細(xì)描述中，為了解釋而不是限制的目的，對公開具體細(xì)節(jié)的代表性實(shí) 施例進(jìn)行了闡述，以便提供對本教導(dǎo)的全面理解。公知的裝置、材料及制造方法的描述可被 省略，以避免混淆本示例實(shí)施例的描述。然而，根據(jù)代表性實(shí)施例，可以使用在本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員的能力范圍內(nèi)的這樣的裝置、材料及方法。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，附圖中所示的電 氣部件和連接的各種配置是說明性的，且因此可以在不脫離本教導(dǎo)范圍的情況下變化。
[0014] 本文所用的術(shù)語僅是為了描述特定實(shí)施例的目的，并非旨在是限制性的。除了已 定義術(shù)語的技術(shù)、科學(xué)、或通常的含義，所定義的術(shù)語如在有關(guān)上下文中一般性地理解和接 受。
[0015] 術(shù)語"一"、"一個(gè)"以及"特指的那個(gè)"包括單數(shù)和復(fù)數(shù)對象，除非上下文另有明確 規(guī)定。因此，例如，"一裝置"包括一個(gè)裝置和多個(gè)裝置。術(shù)語"基本，，或"基本上"是指在可 接受的限度或程度之內(nèi)。術(shù)語"約"是指對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說可接受的限度或量。
[0016] 相對術(shù)語比如"上方"、"下方"、"頂部"、"底部"、"上部，，和"下部，，可以用來描述各 個(gè)元件的相互關(guān)系，如在附圖中所示。除了在附圖中所示的方位之外，這些相對術(shù)語旨在涵 蓋裝置和/或元件的不同方位。例如，如果裝置相對于附圖中的視圖倒置，則例如描述為在 另一元件"上方"的元件現(xiàn)在將在該元件的下方。
[0017] 一般而言，且結(jié)合代表性實(shí)施例如下所述，本教導(dǎo)針對一種等離子體產(chǎn)生裝置、一 種包括等離子體產(chǎn)生裝置的系統(tǒng)、以及一種產(chǎn)生等離子體和真空UV(VUV)光子的方法。在 代表性實(shí)施例中，所述等離子體產(chǎn)生裝置包括：襯底，其具有第一表面和第二表面；諧振環(huán) 形結(jié)構(gòu)，其布置在所述襯底的第一表面上，所述諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)具有被選擇以支持具有沿諧 振環(huán)形結(jié)構(gòu)的長度的一個(gè)以上電場最大值的至少一個(gè)駐波的尺寸；接地平面，其布置在所 述襯底的第二表面上；以及設(shè)備，其配置成在所述電場最大值的位置提供氣體。
[0018]從本公開的評述中要理解的是，代表性實(shí)施例的諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)和諧振環(huán)是"閉環(huán)" 結(jié)構(gòu)（圓形、橢圓形、矩形等，如下文所述），其配置成建立在其上具有一個(gè)以上電場最大值 的一個(gè)或多個(gè)駐波。除其他區(qū)別外，代表性實(shí)施例的諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)和諧振環(huán)不同于其他公 知的裝置，這些其他公知的裝置要么是開環(huán)諧振器（例如，開口環(huán)諧振器）、具有間隙的線 性陣列的這種諧振器，要么是線性微帶諧振器。
[0019]除其它應(yīng)用外，等離子體產(chǎn)生裝置、系統(tǒng)和方法被考慮用在氣相色譜（GC)-質(zhì)譜 (MS)f用中。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可理解的是，對于Gc-略應(yīng)用來說，期望實(shí)現(xiàn)電離的分子 的最高的可能分^本教導(dǎo)的等離子體產(chǎn)生裝置、系統(tǒng)和方法促進(jìn)分析物的更完整的電離。 值得注意的是，電離穿過VUV輻射區(qū)域的分析物分子的分?jǐn)?shù)可以表示為 ηρι~ 0piIhvTi，其 中ηΡΙ是光電離分?jǐn)?shù)，〇PI是光電離橫截面，Ti是在電離區(qū)域中的分子的平均停留時(shí)間，以 及1^是\〇^光強(qiáng)度。由于σ ρι是給定分子的固定的固有屬性且乃主要由通常在狹窄范圍 的值上變化的柱流速確定，所以有必要提供更高的VUV強(qiáng)度（I hv)來實(shí)現(xiàn)較高的電離分?jǐn)?shù)。 代表性實(shí)施例的等離子體產(chǎn)生裝置提供具有多個(gè)光源的單一等離子體裝置。有利的是，本 教導(dǎo)的等罔子體產(chǎn)生裝置在光電離區(qū)域提供相對較高水平的VUV光強(qiáng)度，并且僅需要單一 的微波源饋給等離子體產(chǎn)生裝置。此外，微波功率被消耗在相對較大的面積/體積上，從而 可以使用更高的微波輸入功率。
[0020]圖1是包括等離子體產(chǎn)生裝置101的系統(tǒng)100的簡化示意框圖。說明性地，等離 子體產(chǎn)生裝置101包括結(jié)合以下代表性實(shí)施例所述的等離子體產(chǎn)生裝置。系統(tǒng)100還包括 電源1〇2,其說明性地是RF/微波功率源。電源 1〇2提供電磁輻射，其具有的頻率基本上等 于等離子體發(fā)生裝置101的諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)或諧振環(huán)的諧振頻率。通過示例，所述電源提供 在約iw與約 5〇w之間的電磁輻射，頻率在約1GHz與約20GHz之間。
[0021]系統(tǒng)100還包括氣體源103,其提供氣體用于在等離子體產(chǎn)生裝置101中擊發(fā) (strike)等離子體。來自氣體源103的氣體通過氣體饋給管線1〇4被提供給等離子體產(chǎn)生 裝置101。雖然各種氣體被考慮，但是一般而言，從該氣體源所提供的氣體是惰性氣體，比 如氬（Ar)或氦（He)。所選擇的氣體可以在流動的配置中被輸送，其中隨著氣體流出該系 統(tǒng)，具有氣體的恒定補(bǔ)充，或者在靜態(tài)的填充配置中被輸送，其中氣體或被輸送至單獨(dú)的等 離子體約束結(jié)構(gòu)且然后被密封在其中，或被設(shè)置為等離子體產(chǎn)生裝置駐留在其中的較大密 閉容器內(nèi)的環(huán)境氣體。
[0022]圖2示出了根據(jù)代表性實(shí)施例的等離子體產(chǎn)生裝置200的透視圖。等離子體產(chǎn)生 裝置200包括襯底201，其具有第一表面202和第二表面203 (其與第一表面202相對）。諧 振環(huán)形結(jié)構(gòu)2〇4布置在襯底2〇1的第一表面 2〇2上，以及接地平面（未示出）設(shè)置在襯底 201的第二表面203上。如下面更全面地所述，諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)204具有選擇的以支持具有沿 著其周長的一個(gè)以上電場最大值的至少一個(gè)駐波的尺寸。
[0023]等離子體產(chǎn)生裝置200還包括開口 2〇5,其連接至氣體源（未示出），開口 205配置 成在電場最大值的位置提供氣體（例如惰性氣體）。在目前所描述的代表性實(shí)施例中，有四 個(gè)電場最大值位于沿著諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)204的周長，因此具有四個(gè)開口配置成提供氣體。需 要強(qiáng)調(diào)的是，擊發(fā)如在目前所描述的代表性實(shí)施例中的四個(gè)等離子體僅是說明性的，并且 多于或少于四個(gè)等離子體的擊發(fā)由代表性實(shí)施例的教導(dǎo)的延伸實(shí)現(xiàn)。
[0024]多個(gè)結(jié)構(gòu)2〇6設(shè)置在電場最大值的相應(yīng)位置上。結(jié)構(gòu)206每個(gè)都包括基座207及 布置在基座207上的蓋2〇9。值得注意的是，基座207僅在四個(gè)結(jié)構(gòu)之一中完全可見，其中 為了便于描述已將蓋209去除。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可理解的是，結(jié)構(gòu)206可以由對于其 中所產(chǎn)生的等離子體的發(fā)射波長范圍（例如，VUV)基本上透明的材料制成。然而，這不是 必需的。更確切地說，結(jié)構(gòu)206可以由對于UV光不透明的材料制成。例如，UV光可從等離 子體或通過在結(jié)構(gòu) 2〇6中的開放孔2〇8或通過結(jié)構(gòu)206中的UV-透明窗口（未示出）發(fā) 射。孔208說明性地從每個(gè)結(jié)構(gòu) 2〇6指向徑向向內(nèi)，從而使來自每個(gè)等離子體的光有助于 在等離子體產(chǎn)生裝置200的中心的總強(qiáng)度?？?08的尺寸、通過襯底201中開口饋給的氣 體的流速、以及環(huán)境壓力決定了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓力，其可被優(yōu)化用于最大的UV輸出。對于使 用UV-透明窗口的情況，UV透明材料通常將是氟化鈣或氟化鎂。
[0025]當(dāng)多個(gè)結(jié)構(gòu)2〇6設(shè)置有對應(yīng)的開口 2〇5(其中每個(gè)在電場最大值的位置連接至氣 體源（未示出））時(shí)，等離子體沒有必要在每個(gè)結(jié)構(gòu)206被擊發(fā)。具體地，可能有用的是在比 結(jié)構(gòu)206的數(shù)量更少擊發(fā)等離子體，并且本教導(dǎo)設(shè)想僅在結(jié)構(gòu)206之一擊發(fā)等離子體。這 可以通過不向所有（在本代表性實(shí)施例中，共有四個(gè)）結(jié)構(gòu)206提供氣體來實(shí)現(xiàn)，但是有僅 盡可能多的所需的等離子體?？商娲?，為了效率，諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)204可被選擇成激發(fā)具有 帶有兩個(gè)電場最大值的一個(gè)駐波的模式。具有用于提供氣體來擊發(fā)等離子體的開口 205的 結(jié)構(gòu)206布置在電場最大值之一的附近。這樣，僅一個(gè)電場最大值將不會被用于擊發(fā)等離 子體，從而減少損失并提高等離子體產(chǎn)生裝置200的效率。
[0026] 除其它功能外，結(jié)構(gòu)206限制來自從其中產(chǎn)生等離子體的氣體源（未示出）的氣 體。氣體的這種限制允許氣體的壓力實(shí)現(xiàn)所期望的壓力來點(diǎn)燃等離子體。此外，由結(jié)構(gòu)206 所提供的等離子體的約束導(dǎo)致較高的電子溫度，這增強(qiáng)從等離子體產(chǎn)生所需的VUV輻射的 稀有氣體原子的激發(fā)。最后，在所示的代表性實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)206設(shè)置在諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)204 的"向內(nèi)"側(cè)上。因此，等離子體以相對較小的體積產(chǎn)生在多個(gè)位置，從而提供以相對較小 體積的顯著功率的VUV輻射。在等離子體產(chǎn)生裝置200的某些實(shí)施例中，襯底201是具有 相對較高介電常數(shù)的介電材料。相對較高的介電常數(shù)是指介電常數(shù)為2或更高，比如5或 更高，包括9_6(例如，陶瓷）或更高。在其它實(shí)施例中，從介電常數(shù)的角度來看，在為襯底 2〇1選擇材料上沒有任何限制，所以并不需要很高。通常，襯底201由在操作頻率相對低損 失的材料制成。
[0027] 發(fā)現(xiàn)用作襯底201的介電材料包括但不限于陶瓷化合物、TEFLON? (聚四氟乙 烯（PTFE))、聚合物、玻璃、石英及它們的組合在某些實(shí)施例中，襯底2〇1由單一材料制成， 而在某些其它實(shí)施例中，所述襯底包含一個(gè)以上的材料，例如不同材料的不同層。襯底201 的尺寸可以變化很大，這取決于由等離子體產(chǎn)生裝置200所產(chǎn)生的等離子體的希望用途和 /或諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)204的尺寸的性質(zhì)，它們是襯底介電性能、操作頻率以及所需的特性阻抗 的函數(shù)。在某些實(shí)施例中，襯底201是平面襯底，具有的長度范圍為從約 5毫米至約100毫 米，比如從約10毫米至約70毫米，包括從約20毫米（實(shí)際陶瓷）至約50毫米（實(shí)際的 IfT/OUROID? );寬度范圍為從約5毫米至約1〇〇毫米，比如從約10毫米至約7〇毫米， 包括從約12毫米（實(shí)際陶瓷）至約40毫米（實(shí)際的rt/duROID? )以及厚度范圍為 從約100微米至約5毫米，比如從約100微米至約2毫米，包括從約丨毫米（實(shí)際陶瓷）至 約2毫米。
[0028] 在代表性實(shí)施例中，作為諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)2〇4的一部分的電極延伸210設(shè)置在電場 最大值的位置。相應(yīng)的開口 205設(shè)置成相鄰于各自的電極延伸21〇。這些電極延伸具有的 長度與其相應(yīng)結(jié)構(gòu)2〇6的長度大致相同。值得注意的是，諧振環(huán)形結(jié)構(gòu) 2〇4和電極延伸210 被設(shè)計(jì)成確保電場模式是適當(dāng)?shù)?，并且該結(jié)構(gòu)基本上是阻抗匹配的。一旦這是完成的，開口 2〇 5的位置就被確定來優(yōu)化高效的等離子產(chǎn)生。
[0029] 如下面更全面地所述，電極延伸210用于將由諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)204支持的駐波的電 場最大值定位在開口 205附近，且因此在被提供用于等離子體產(chǎn)生的氣體附近。因此，電極 延伸210促進(jìn)在每個(gè)結(jié)構(gòu)2〇6中等離子體產(chǎn)生，由此從等離子體產(chǎn)生裝置2〇〇產(chǎn)生等離子 體VUV輻射的多個(gè)（在本示例中為四個(gè)）源。電極延伸 21〇是可選的，并且如下所述，在沒 有電極延伸210的情況下，等離子體產(chǎn)生裝置200可以在電場最大值的區(qū)域中產(chǎn)生等離子 體。然而，值得注意的是，當(dāng)未實(shí)施電極延伸210時(shí)，在每個(gè)結(jié)構(gòu)206中所產(chǎn)生的等離子體 將被限制至較小的體積，并且將不具有通過使用電極延伸而實(shí)現(xiàn)的長度。
[0030]根據(jù)結(jié)合圖2所描述的代表性實(shí)施例，諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)2〇4包括與第二環(huán)212同心 的第一環(huán)211、在其之間的間隙214、以及從第二環(huán)212向內(nèi)延伸的電極延伸210。第一環(huán) 211經(jīng)由連接213而被連接至RF/微波功率源（未示出），并且耦合至通過間隙 214而與第 一環(huán)211隔開的第二環(huán)M2。在代表性實(shí)施例中，第一和第二環(huán)211、212是微帶傳輸線，接 地平面設(shè)置在與第一表面2〇2(第一和第二環(huán)2U、212形成在其上）相對的第二表面 2〇3 上。
[0031]在本文所述的實(shí)施例中，諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)204、第一環(huán)211以及第二環(huán)212基本上都 是圓形的。這僅是說明性的，并且需要強(qiáng)調(diào)的是，諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)2〇4、第一環(huán)211以及第二環(huán) 212可以采取各種形狀。因此，術(shù)語"環(huán)"和"環(huán)形"并不僅限于圓環(huán)，而是指任何圓形或非 形的結(jié)構(gòu)，其中感興趣的第一和第二環(huán)2η、212包括但不限于圓形、橢圓形或卵形及其 它非圓形的環(huán)，以及矩形或其它多邊的形狀。諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)204可以以各種方式布置在襯 底201上。在某些實(shí)施例中，襯底 2〇 i涂覆有用于微帶層的材料（例如，Au、Cu等），諧振環(huán) 形結(jié)構(gòu)204由光刻和濕蝕刻技術(shù)（它們本身在本領(lǐng)域中是公知的）形成。在本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員能力范圍內(nèi)的其它加工技術(shù)可以用來在襯底 2〇1上形成諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)2〇4和電極延 伸210。例如，可以使用印刷電路板 （PCB)研磨技術(shù)。
[0032]如上文所提到，諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)204的尺寸（例如周長）被選擇成使得諧振環(huán)形結(jié) 構(gòu)204在期望的諧振條件基本上阻抗匹配于RF/微波功率源的輸入阻抗。此外，電極延伸 210的長度基本上等于相應(yīng)結(jié)構(gòu)206的長度，并且對于特定的氣體壓力（及與等離子體行為 相關(guān)的其他參數(shù)）進(jìn)行優(yōu)化。更一般地，電極延伸 210的長度還可以是一個(gè)變量。"匹配" 是指在連接213所存在的阻抗等效于RF/微波功率源的輸出阻抗，從而使得可以獲得最大 的功率傳輸。這兩個(gè)阻抗的任何差異可能會導(dǎo)致在背向RF/微波功率源（未示出）的連接 213的功率的反射分量。此外，并且如上所述，諧振環(huán)形結(jié)構(gòu) 2〇4具有被選擇以支持具有沿 諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)2〇4的長度（周長）的一個(gè)以上電場最大值的至少一個(gè)駐波的尺寸（特別是 周長）。在代表性實(shí)施例中，諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)204的周長在等離子產(chǎn)生裝置200的操作頻率為 約二分之一波長（λ/2)的整數(shù)倍。
[0033]值得注意的是，間隙214影響第一和第二環(huán)211、212之間的戰(zhàn)合。一般來說，如由 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解的是，提供在RF/微波功率源（未在圖2中示出）的中心頻 率的所期望的諧振、所期望的電場分布以及在電極頂部上的最高的可能的電場幅度的各種 參數(shù)是有益的。
[0034] 諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)204的兩個(gè)同心環(huán)結(jié)構(gòu)被提供，以便于諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)204對RF/微 波功率源的阻抗匹配。為此，由諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)204所支持的諧振頻率由第一環(huán)211、第二環(huán) 212、間隙214以及電極延伸210的尺寸（例如，長度/周長和寬度）掌控。諧振環(huán)形結(jié)構(gòu) 2〇4通過改變第一環(huán)211、第二環(huán)212的長度/周長和寬度或者通過改變電極延伸210的長 度和寬度對RF/微波功率源的阻抗匹配可能會導(dǎo)致波導(dǎo)的諧振頻率的變化。另外，在結(jié)構(gòu) 206中所產(chǎn)生的等離子體的負(fù)載阻抗可能導(dǎo)致阻抗失配。因此，諧振頻率的變化將會要求 RF/微波功率源的頻率的變化，以確保諧振條件在諧振環(huán)形結(jié)構(gòu) 204中得到滿足，從而沿著 第二環(huán)112的長度/周長建立具有一個(gè)以上電場最大值的一個(gè)或多個(gè)駐波。雖然本領(lǐng)域普 通技術(shù)人員所公知的其他調(diào)諧元件（例如，存根調(diào)諧器）可以用來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，但是使用 代表性實(shí)施例的耦合的諧振器環(huán)布置提供了相對直接的解決辦法。
[0035]在代表性實(shí)施例中，第一環(huán)211的長度/周長和寬度被選擇，并且可以被修改，以 確保諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)2〇4對RF/微波功率源的阻抗匹配。第一環(huán)211通過耦合至第二環(huán)212 的微帶而被耦合，且因此具有一個(gè)以上電場最大值的至少一個(gè)駐波由第一和第二環(huán)211、 212支持。因?yàn)閺腞F/微波功率源至第二環(huán)212的功率通過耦合至第一環(huán)211被提供，所以 RF功^被饋給平行于多個(gè)等離子體，且有利地防止通過使用采用相同量的功率所操作的單 個(gè)等離子體所經(jīng)歷的UV輻射的飽和。值得注意的是，存在最大量的UV光，其可能在最佳功 率電平由單一的等離子體產(chǎn)生。在該功率電平之上，UV輻射不會大幅增加。因此，例如在 目前所描述的代表性實(shí)施例中，讓四個(gè)等離子體（來自四個(gè)結(jié)構(gòu)206)在此最佳功率電平操 作將產(chǎn)生多達(dá)單個(gè)等離子體在四倍此最佳功率電平運(yùn)行的近四倍的光。
[0036] 在操作中，來自氣體供給（圖2中未示出）的氣體（例如惰性氣體）被提供給每 個(gè)開口 205,其位于電場最大值附近。該氣體可以流入結(jié)構(gòu)206,以使得等離子體在結(jié)構(gòu)206 中產(chǎn)生。
[0037] 圖3是代表性實(shí)施例的等離子體產(chǎn)生裝置300的頂視圖，且示出了沿著根據(jù)代表 性實(shí)施例的諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)204的在諧振的駐波的電場強(qiáng)度。區(qū)域301示出了由諧振環(huán)形結(jié) 構(gòu)204所支持的駐波的電場最大值?？梢岳斫獾氖?，結(jié)構(gòu)206布置在駐波的電場最大值的 區(qū)域附近或其上方，并且提供路徑用于傳導(dǎo)，以使得在結(jié)構(gòu)206內(nèi)提供足夠的能量來確保 在每個(gè)結(jié)構(gòu)206中擊發(fā)并維持等離子體。有利地，等離子體產(chǎn)生裝置100在相對較小的體 積中于多個(gè)位置產(chǎn)生等離子體，從而在相對較小的體積中提供顯著功率的VUV輻射。電極 延伸210用于維持等離子體具有延伸的線性形狀，這已被觀察到以發(fā)射比在相同條件下操 作的更緊湊的等離子體沿著此線性延伸的軸線更多的UV輻射。
[0038] 值得注意的是，等離子體產(chǎn)生裝置100采用和不采用等離子體的操作非常不同， 并且必須執(zhí)行兩個(gè)獨(dú)立的功能。第一是在約束結(jié)構(gòu)206內(nèi)的某處提供足夠強(qiáng)的電場來擊發(fā) 等離子體。此功能需要諧振。一旦形成等離子體，電極延伸210下面執(zhí)行不同的功能，其以 優(yōu)選的量（比如沿著電極延伸210的長度）將功率輸送至等離子體。一旦等離子體在操作 時(shí)，不是真正的場強(qiáng)度對操作很關(guān)鍵，而是多少電磁功率被輸送至等離子體的電子并且其 中該功率在空間上被輸送。由于甚至在存在的等離子體中的電場結(jié)構(gòu)在這些結(jié)構(gòu)下仍然達(dá) 到峰值，所以這有助于將功率輸送至該結(jié)構(gòu)的中心，其對于高效的等離子體制造及針對的 UV輻射是理想的。
[0039] 圖4A示出了在根據(jù)代表性實(shí)施例的電極延伸401附近的區(qū)域中的電場線和幅度。 電極延伸401被考慮用于上述的等離子體產(chǎn)生裝置100中。等離子體產(chǎn)生裝置1〇〇的許多 方面與圖4A的說明是共同的，且不被重復(fù)以避免混淆本說明。
[0040] 電極延伸401具有第一電極402和第二電極403，它們由形成所述第二環(huán)的微帶傳 輸線405中的間隙404隔開。開口 406提供氣體用于產(chǎn)生等離子體，且結(jié)構(gòu)2〇6 (未在圖4A 中示出）設(shè)置在開口上方并定心于間隙404上。如結(jié)合代表性實(shí)施例所述，電極延伸401 設(shè)置在由微帶傳輸線405所支持的駐波的電場最大值或其附近。
[0041] 由于等離子體產(chǎn)生裝置100的結(jié)構(gòu)是基本對稱的，所以在整個(gè)間隙404上沒有電 位差，從而電極是等電位的，且電場在第一和第二電極402、403是垂直指向的。如可從圖4A 的評述中理解的是，電場線407的方向?qū)е略陂g隙404上方的點(diǎn)的電場最小值3〇9,以及隨 著從間隙404的中心的距離增大時(shí)的電場最大值410。因此，將結(jié)構(gòu) 2〇6(未在圖4A中示 出）定位在電極延伸401之上將會在結(jié)構(gòu)206的中心導(dǎo)致不合要求的低電場強(qiáng)度，以及在 結(jié)構(gòu)206的側(cè)面附近的相對較高的電場強(qiáng)度。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員要理解的是，不希望在 結(jié)構(gòu)206的內(nèi)部的外側(cè)部分（側(cè)面）附近具有較高幅值的電場，因?yàn)榈入x子體的重組通常 發(fā)生在容納結(jié)構(gòu)的壁上，從而輸送至此處等離子體的功率導(dǎo)致較低密度的等離子體且產(chǎn)生 更少的UV光子。此外，如果等離子體產(chǎn)生的目的是產(chǎn)生通過中心孔指出容納結(jié)構(gòu)的UV光 子，對于那些光子來說期望的是由結(jié)構(gòu)的壁而被產(chǎn)生在中心以減少光子的遮蔽。
[0042] 圖4B示出了在根據(jù)代表性實(shí)施例的電極延伸411附近的區(qū)域中的電場線和幅度。 電極延伸401被考慮用于上述的等離子體產(chǎn)生裝置1〇〇中。等離子體產(chǎn)生裝置1〇〇的許多 方面與圖4B的說明是共同的，且不被重復(fù)以避免混淆本說明。
[0043]電極延伸411是電連接至形成所述第二環(huán)的微帶傳輸線405的單個(gè)電極結(jié)構(gòu)。開 口 406提供氣體用于產(chǎn)生等離子體，且結(jié)構(gòu)2〇6(未示出）設(shè)置在開口上方并定心于電極延 伸411上方。如上所述，電極延伸401設(shè)置在由微帶傳輸線405所支持的駐波的電場最大 值或其附近。
[0044]該電場在電極延伸附近是垂直指向的，并且電場線412的方向?qū)е略陔姌O延伸 411上方的點(diǎn)的電場最大值413,以及隨著從間隙404的中心的距離增大時(shí)的電場最小值 414。因此，將結(jié)構(gòu)206(未在圖4B中示出）定位在電極延伸411之上將會在結(jié)構(gòu)206的中 心導(dǎo)致所需的高電場強(qiáng)度，以及在結(jié)構(gòu)206的側(cè)面附近的相對較低的電場強(qiáng)度。本領(lǐng)域普 通技術(shù)人員要理解的是，期望在理想形成等離子體的區(qū)域中（即在結(jié)構(gòu)206的中心附近） 提供最大電場幅值以及在結(jié)構(gòu)206的外側(cè)部分（側(cè)面）的最小電場幅值，如上所述。
[0045]圖5是根據(jù)代表性實(shí)施例的等離子體產(chǎn)生裝置500的頂視圖。等離子體產(chǎn)生裝置 100的許多方面對于當(dāng)前所述實(shí)施例的等離子體產(chǎn)生裝置500的說明是共同的，且沒有重 復(fù)以避免混淆本說明。
[0046] 等離子體產(chǎn)生裝置500包括襯底501，其具有第一表面502和與第一表面502相對 的第二表面（未示出）。諧振環(huán)503布置在襯底501的第一表面502上，以及接地平面（未 示出）設(shè)置在襯底501的第二表面上。如下面更全面地所述,諧振環(huán)503具有選擇的以支 持具有沿著諧振環(huán)的長度的一個(gè)以上電場最大值的至少一個(gè)駐波的長度（在這種情況下 為周長）。
[0047]等離子體產(chǎn)生裝置500還包括開口 504,其連接至氣體源（未示出），該開口配置 成在電場最大值的位置提供氣體（例如惰性氣體）。在目前所描述的代表性實(shí)施例中，有四 個(gè)電場最大值位于沿著諧振環(huán)503的周長，因此具有四個(gè)開口 504配置成提供氣體。多個(gè) 結(jié)構(gòu)5〇5設(shè)置在電場最大值的相應(yīng)位置上。每個(gè)結(jié)構(gòu)都包括基座（未示出）及布置在該基 座上的蓋506。
[0048] 除其它功能外，結(jié)構(gòu)505限制來自從其中產(chǎn)生等離子體的氣體源（未示出）的氣 體。氣體的這種限制允許氣體的壓力實(shí)現(xiàn)所期望的壓力來點(diǎn)燃等離子體。此外，由結(jié)構(gòu)505 所提供的氣體的約束導(dǎo)致較高的電子溫度，這增強(qiáng)從等離子體產(chǎn)生所需的VUV輻射的稀有 氣體原子的激發(fā)。最后，在所示的代表性實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)505設(shè)置在諧振環(huán)503上。因此， 等離子體以相對較小的體積產(chǎn)生在多個(gè)位置，從而提供以相對較小體積的顯著功率的νυν 輻射。
[0049] 在等離子體產(chǎn)生裝置500的某些實(shí)施例中，襯底501是具有相對較高介電常數(shù)的 介電材料。相對較高的介電常數(shù)是指介電常數(shù)為2或更高，比如5或更高，包括9. 6 (例如， 陶瓷）或更高。發(fā)現(xiàn)用作襯底201的介電材料包括但不限于陶瓷化合物、TEFLON? (聚 四氟乙烯（PTFE))、聚合物、玻璃、石英及它們的組合。在某些實(shí)施例中，襯底201由單一材 料制成，而在某些其它實(shí)施例中，所述襯底包含一個(gè)以上的材料，例如不同材料的不同層。 襯底501的尺寸可以變化很大，這取決于由等離子體產(chǎn)生裝置500所產(chǎn)生的等離子體的希 望用途和/或諧振環(huán)503的尺寸的性質(zhì)，它們是襯底介電性能、操作頻率以及所需的特性阻 g的函數(shù)。在某些實(shí)施例中，襯底501是平面襯底，具有的長度范圍為從約5毫米至約100 毫米，比如從約10毫米至約70毫米，包括從約20毫米（實(shí)際陶瓷）至約50毫米（實(shí)際的 RUDORQID麵）；寬度范圍為從約5毫米至約100毫米，比如從約10毫米至約70毫米， 包括從約I2毫米（實(shí)際陶瓷）至約40毫米（實(shí)際的RT/DllRQID? )以及厚度范圍為 從約100微米至約5毫米，比如從約100微米至約2毫米，包括從約1毫米（實(shí)際陶瓷）至 約2毫米。
[0050]根據(jù)結(jié)合圖5所描述的代表性實(shí)施例，諧振環(huán)503是單個(gè)微帶傳輸線，其通過連接 5〇7而連接至RF/微波功率源（未示出）。
[0051]在本文所述的實(shí)施例中，諧振環(huán)503基本上是圓形的。這僅是說明性的，并且需要 強(qiáng)調(diào)的是，諧振環(huán)503可以采取各種形狀。因此，術(shù)語"環(huán)"并不僅限于圓環(huán)，而是指任何圓 形或非圓形的結(jié)構(gòu)，其中感興趣的諧振環(huán)503的形狀可以是但不限于：圓形、橢圓形或卵形 及其它非圓形的形狀，以及矩形或其它多邊的形狀。諧振環(huán)503可以以各種方式布置在襯 底501上。在某些實(shí)施例中，襯底501涂覆有用于微帶層的材料（例如， Au、Cu等），諧振環(huán) 5〇3由光刻和濕蝕刻技術(shù)（它們本身在本領(lǐng)域中是公知的）形成。在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員 能力范圍內(nèi)的其它加工技術(shù)可以用來形成諧振環(huán)503以及在襯底501上。
[0052]諧振環(huán)503的尺寸被選擇成使得諧振環(huán)503在期望的諧振條件基本上阻抗匹配于 RF/微波功率源的輸入阻抗。"匹配"是指在連接507所存在的阻抗等效于RF/微波功率源 的輸出阻抗，從而使得可以獲得最大的功率傳輸。這兩個(gè)阻抗的任何差異可能會導(dǎo)致在背 向RF/微波功率源（圖5中未示出）的連接507的功率的反射分量。此外，并且如上所述， 諧振環(huán)503具有被選擇以支持具有沿諧振環(huán)503的長度/周長的一個(gè)以上電場最大值的至 少一個(gè)駐波的長度/周長。在代表性實(shí)施例中，諧振環(huán)503的周長在等離子產(chǎn)生裝置500 的操作頻率為約二分之一波長（λ/2)的整數(shù)倍。
[0053] 諧振環(huán)503對RF/微波功率源的阻抗匹配可以通過改變諧振環(huán)503的尺寸（例如， 長度/周長和寬度）來實(shí)現(xiàn)。另外，在結(jié)構(gòu)5〇5中所產(chǎn)生的等離子體的負(fù)載阻抗可能導(dǎo)致 阻抗失配，并且在阻抗匹配中必須加以考慮。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所公知的其他調(diào)諧元件 (例如，存根調(diào)諧器）可以用來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。
[0054] 在代表性實(shí)施例中，諧振環(huán)503的尺寸（例如，長度/周長和寬度）被選擇，并且可 以被修改，以確保諧振環(huán)5〇3對RF/微波功率源的阻抗匹配。在操作中，來自氣體供給（未 示出）的氣體（例如惰性氣體）被提供給每個(gè)開口 504,其位于電場最大值附近。該氣體可 以流入結(jié)構(gòu)505,以使得等離子體在結(jié)構(gòu)505中產(chǎn)生。
[0055]圖6是根據(jù)代表性實(shí)施例的方法600的流程圖。通過使用根據(jù)代表性實(shí)施例的 等離子體產(chǎn)生裝置，方法600可以在上述系統(tǒng)100中實(shí)現(xiàn)。在601，該方法包括將氣體提供 給等離子體產(chǎn)生裝置。如上所述，等離子體產(chǎn)生裝置包括：襯底，其具有第一表面和第二表 面；諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)，其布置在所述襯底的第一表面上，所述諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)具有被選擇以支持 具有一個(gè)以上電場最大值的至少一個(gè)駐波的尺寸；以及接地平面，其布置在所述襯底的第 二表面上。
[0056] 在602,該方法包括在每個(gè)電場最大值提供氣體于所述諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)之上。在 603,該方法包括在每個(gè)電場最大值的位置引起足以從氣體擊發(fā)等離子體的放電。
[0057] 雖然本文公開了代表性實(shí)施例，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，根據(jù)本 教導(dǎo)的許多變化是可能的,并且保持在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。因此，除了在所附權(quán)利要求 的范圍內(nèi)，本發(fā)明不被限制。
【權(quán)利要求】
1. 一種等離子體產(chǎn)生裝置，包括： 襯底，其具有第一表面和第二表面； 諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)，其布置在所述襯底的第一表面上，所述諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)具有被選擇以支 持具有沿諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)的長度的一個(gè)以上電場最大值的至少一個(gè)駐波的尺寸； 接地平面，其布置在所述襯底的第二表面上；以及 設(shè)備，其配置成在所述電場最大值的位置提供氣體。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體產(chǎn)生裝置，還包括電極延伸，其在每個(gè)電場最大值 的位置連接至所述諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體產(chǎn)生裝置，其中，所述諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)還包括微帶傳 輸線。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體產(chǎn)生裝置，其中，所述設(shè)備包括氣體流動元件，其配 置成在每個(gè)電場最大值的位置上提供氣體。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體產(chǎn)生裝置，還包括： 多個(gè)結(jié)構(gòu)，其中的每個(gè)布置成相鄰于所述第一表面以形成相應(yīng)的外殼，其基本上包圍 每個(gè)電場最大值的位置。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子體產(chǎn)生裝置，還包括多個(gè)結(jié)構(gòu)，其中的每個(gè)設(shè)置在所 述電極延伸的相應(yīng)一個(gè)上，其中，每個(gè)結(jié)構(gòu)配置成包含等離子體。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子體產(chǎn)生裝置，所述微帶傳輸線具有在所述諧振環(huán)形結(jié) 構(gòu)與接地平面之間的空隙，其中，氣體設(shè)置在所述空隙中以產(chǎn)生等離子體。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體產(chǎn)生裝置，其中，諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)是在諧振頻率匹配 電源阻抗的阻抗，所述電源提供微波功率給所述諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子體產(chǎn)生裝置，其中，所述電極延伸布置在所述襯底的 第一表面上。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的等離子體產(chǎn)生裝置，其中，每個(gè)電場最大值都位于相應(yīng)電極 延伸的上方。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體產(chǎn)生裝置，其中，所述諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)包括與第二環(huán) 同心的第一環(huán)，且所述第一環(huán)耦合至所述第二環(huán)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體產(chǎn)生裝置，其中，所述第一環(huán)是微帶傳輸線，所述 第二環(huán)是微帶傳輸線。
13. -種系統(tǒng)，包括： 電源； 氣體饋給線；以及 等離子體產(chǎn)生裝置，其包括： 襯底，其具有第一表面和第二表面； 諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)，其布置在所述襯底的第一表面上，所述諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)具有被選擇以支 持具有沿諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)的周長的一個(gè)以上電場最大值的至少一個(gè)駐波的尺寸；接地平面， 其布置在所述襯底的第二表面上；以及設(shè)備，其配置成在所述電場最大值的位置提供氣體。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，還包括電極延伸，其在每個(gè)電場最大值的位置連接 至所述諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)還包括微帶傳輸線之一。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述設(shè)備包括氣體流動元件，其配置成在每個(gè) 電場最大值的位置上提供氣體。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述等離子體產(chǎn)生裝置還包括： 多個(gè)結(jié)構(gòu)，其中的每個(gè)布置成相鄰于所述第一表面以形成相應(yīng)的外殼，其基本上包圍 每個(gè)電場最大值的位置。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，還包括多個(gè)結(jié)構(gòu)，其中的每個(gè)設(shè)置在所述電極延伸 的相應(yīng)一個(gè)上，其中，每個(gè)結(jié)構(gòu)配置成包含等離子體。
19. 一種方法，包括： 將氣體提供給等離子體產(chǎn)生裝置，所述等離子體產(chǎn)生裝置包括： 襯底，其具有第一表面和第二表面； 諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)，其布置在所述襯底的第一表面上，所述諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)具有被選擇以支 持具有沿諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)的周長的一個(gè)以上電場最大值的至少一個(gè)駐波的尺寸；以及接地平 面，其布置在所述襯底的第二表面上； 在每個(gè)電場最大值提供氣體于所述諧振環(huán)形結(jié)構(gòu)之上；以及 在每個(gè)電場最大值的位置引起足以從氣體擊發(fā)等離子體的放電。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括從等離子體產(chǎn)生真空紫外（VUV)光。
【文檔編號】H05H1/46GK104284506SQ201410259219
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月11日
【發(fā)明者】M.瓦希德珀, M.丹寧 申請人:安捷倫科技有限公司