[发明专利]一种射频感应耦合等离子体中和器

说明书

本发明属于低温等离子体技术领域，具体涉及一种射频感应耦合等离子体中和器。本发明包括用于容纳放电等离子体的等离子体放电腔、高压绝缘气路装置、射频耦合天线、用于收集离子和屏蔽射频容性耦合的阴极、屏蔽外壳和用于从等离子体放电腔中抽取电子束的阳极，该射频感应耦合等离子体中和器结构一方面可有效屏蔽射频耦合天线和放电等离子体间的容性耦合，降低射频容性耦合效应对等离子体放电腔内壁的溅射，减少放电等离子体中的杂质污染，同时也可有效减少射频感应耦合等离子体中和器陶瓷绝缘件上的污染，提高射频感应耦合等离子体中和器的寿命和稳定性，具有结构简单、无电极污染、引出电子束洁净、寿命长、工作稳定、束流强度及能量易控等优点。

技术领域

本发明属于低温等离子体技术领域，具体涉及一种射频感应耦合等离子体中和器。

背景技术

中和器是产生电子束的装置，它作为离子源、电推力器等系统的核心关键部件被广泛应用于现代薄膜材料制备、材料表面改性、超大规模集成电路、高精密大型光学元件微细加工、空间电推进系统和航天器主动电位控制等领域。中和器按工作方式可以分为浸没式热阴极中和器、外置式热阴极中和器和等离子体桥式中和器3类。浸没式热阴极中和器是将热阴极置于离子束内部如图1，当其加热到2200～2300℃以上温度时发射电子。在离子源工作期间，由于中和阴极温度很高并受到离子束的强烈溅射作用，阴极损耗很快，寿命很短，需要频繁更换，并且存在杂质污染问题。如果在反应气体气氛中使用阴极消耗更快，其应用范围受到了很大的限制。外置式阴极中和器是将阴极置于离子束外，利用中和器和离子束之间强的耦合电压将阴极发射的电子吸引到离子束中，从而中和离子束，主要由外置式热阴极中和器和外置式场致发射阴极中和器两种，如公开号CN1917131A公布了一种适用于离子束薄膜沉积和离子束材料表面改性领域的外置式阴极中和器如图2。该热阴极虽避免了离子束的直接溅射，但它受热阴极材料热蒸发限制，使用周期依然较短，并且强的耦合电压影响离子束的性能，同时热阴极对工作气氛较为敏感，限制了其在一些控制污染要求较高领域的应用如高洁净光学元件及半导体晶圆离子束加工领域等。外置式场致发射阴极中和器，它是在金属或半导体等表面施加高强度的电场、通过隧道效应使电子进入真空中。与热电子发射相比,场致发射的冷阴极具有功耗低、响应速度快等优点。它可获得电流密度高达107A/cm2以上的发射电流,而且发射没有时间上的延迟,缺点是当其暴露在10-8托以上的环境中时,离子溅射和表面腐蚀限制了场致发射阴极的寿命。等离子体桥中和器是利用空心阴极、射频等放电方式产生放电等离子体，在偏置电压的作用下放电产生的电子和部分离子向离子束输运，放电产生的部分离子为电子进入离子束起搭“桥”作用，以降低耦合电压，并允许中和器位置距离子束较远。目前常用的等离子体桥中和器是空心阴极中和器,如公开号CN195626410A公开了一种适用于空间电推进系统使用的空心阴极中和器、公开号CN103770953A公开了一种采用空心阴极进行航天器结构电位主动控制的装置和方法。空心阴极主要由阴极管、顶板、发射体、加热器和触持极等组成。其中，发射体中毒和加热器失效是制约空心阴极性能的关键因素。这是由于当发射体暴露于大气中，其表面会吸附氧气及水蒸气等杂质；当对发射体进行加热后，杂质与发射体反应，从而使发射体失效，发射电子能力降低或失去发射能力，同时空心阴极加热器的绝缘层涂覆-烧结工艺操作繁琐，人为因素影响大，加热丝再结晶现象严重，容易发生加热丝脆断现象。为了解决这些问题，公开号CN103762134A公开了一种空心阴极热屏蔽组件结构，公开号CN105006412A公开了一种空心阴极加热器的陶瓷组件结构，公开号CN104780631A公开了一种空心阴极中和器加热装置等，经过多年的研究，虽然空心阴极寿命、性能等技术指标得到了大幅提升，但由于它工作时存在阴极温度高，消耗阴极，并且随着阴极消耗性能降低、对工作环境中的氧气含量较为敏感，污染较大，制造成本高等缺点限制了它的应用。射频等离子体中和器是近年来提出的一种新型中和器，根据放电方式不同，分为射频容性耦合等离子体中和器和射频感应耦合等离子体中和器。其中射频容性耦合等离子体中和器是利用射频电极之间的容性耦合放电产生等离子体，存在电极溅射、杂质污染等问题。射频感应耦合等离子体中和器是通过电磁感应耦合效应维持等离子体放电，无电极污染、等离子体密度高，可以在反应气体中长时间稳定工作，但存在放电起辉困难，放电腔溅射污染等问题。