[发明专利]谐振腔式ECR等离子体源装置以及方法

说明书

本发明公开了一种谐振腔式ECR等离子体源装置以及方法，本发明技术方案在真空谐振腔内设置以天线密封罩，将辐射微波的天线置于该天线密封罩内，可以避免放电天线对所述真空谐振腔内ECR等离子体污染。可以通过所述ECR控制元件调节电子回旋共振所需磁场大小，进一步增加电子密度。本发明技术方案所述装置具有结构简单、电磁波‑等离子体能量耦合效率高的优点，可以产生电子密度高达10¹²cm^‑3量级的等离子体。

技术领域

本发明涉及等离子体源产生技术领域，更具体的说，涉及一种谐振腔式ECR(电子回旋共振)等离子体源装置以及方法。

背景技术

电子回旋共振(ECR)等离子体是低气压低温放电领域的一个重要技术。ECR等离子体源使用微波能量激励气体放电，具有工作寿命长、性能稳定、无电极、耐腐蚀和能在真空下工作等优点，所以ECR等离子体源被广泛应用于多个方面，例如加速器中的大电流离子源，半导体制造中的离子注入、离子束溅射沉积等工艺，和新概念空间电推进引擎技术等。现有的ECR等离子体源装置位型有很多种，例如典型的高长宽比和低长宽比ECR等离子体源中，微波由波导管传输，透过玻璃窗在线圈磁场的作用下于共振区产生等离子体，或使用微波传输天线输送微波能量，结合永磁体磁场产生电子回旋共振区域。

微波谐振腔可用于等离子体产生，原理是在微波谐振腔内通过电磁场的谐振作用产生强电磁场，激发气体放电产生等离子体，但受制于等离子体振荡频率和谐振腔制作工艺，产生的等离子体电子密度到达10⁹cm^-3量级时，对应2.45GHz频率的微波在非磁化的等离子体边界发生截止现象，能量不能进入到等离子体，从而使一般的微波谐振腔等离子体源电子密度较低，很难达到工业应用所需的高密度要求。

发明人研究发现，结合微波谐振腔和ECR放电技术的等离子体源既可以使用谐振腔增强电磁波的能量耦合效率，又可以利用ECR原理使电子回旋共振吸收微波能量，从而结合两种放电方式的优势，在小空间和较低的微波功耗条件下产生高密度的等离子体。

发明内容

本申请的目的是提供一种谐振腔式ECR等离子体源装置以及方法，包括如下技术方案：

一种谐振腔式ECR等离子体源装置，包括：

真空谐振腔，用于使得设定频率的微波产生谐振；

置于所述真空谐振腔内的天线密封罩，所述天线密封罩具有连接外部大气的天线开口；

通过所述开天线口置于所述天线密封罩中的天线，所述天线用于通过所述密封天线罩向所述真空谐振腔辐射所述微波；

置于所述真空谐振腔外部的ECR控制元件，用于在所述真空谐振腔内产生电子回旋共振所需磁场，以在所述真空谐振腔内产生ECR等离子体。

优选的，在上述装置中，所述真空谐振腔包括：圆筒本体，所述圆筒本体的底端密封，其顶端设置有谐振增强环。

优选的，在上述装置中，所述ECR控制元件为磁场线圈，由多匝线圈绕制，用于连接直流稳流电源。

优选的，在上述装置中，所述磁场线圈为漆包线绕制的电磁线圈。

优选的，在上述装置中，所述天线密封罩为石英玻璃罩。

优选的，在上述装置中，所述天线为棒状天线，其一端通过所述天线开口置于所述天线密封罩中，另一端连接微波源产生电路；

所述棒状天线内部具有水冷结构。

优选的，在上述装置中，所述圆筒本体的侧壁具有冷却水循环的通道，所述圆筒本体的侧壁外侧具有连接冷却水管的进水接口以及出水接口。

优选的，在上述装置中，所述圆筒本体的侧壁还具有快速连接法兰，用于连接真空泵组以及测量真空气压的真空规管。