[发明专利]微波等离子吹管

说明书

本发明涉及微波等离子吹管。更具体地，本发明涉及用于以高速度及高纯度地沉积由高熔点材料作的膜或晶体薄膜的微波等离子吹管。

传统的等离子吹管可大致分类为用于频谱分析的低输出等离子吹管，或用于作焊接、热喷涂、熔化切割等的热能源的高输出等离子吹管。但是，如果基于产生等离子体的方法来分类传统的等离子吹管时，传统的等离子吹管可分作以下各类：使用直流电流(DC)电弧放电的等离子吹管；使用电感耦合射频(以下简称为“RF”，该频率在约4MHz至13.56MHz的范围中)放电的等离子吹管；或使用微波(该频率约为2.45GHz)的等离子吹管。

在使用DC电弧放电的传统等离子吹管中，其中使用的电极被不利地侵蚀。但是，只要使用高密度及高温的等离子体用作热源，就不会产生任何问题。因为在使用电感耦合RF放电的等离子吹管中的电极之间不产生电弧放电，故可获得其中混有更小杂质量的等离子火焰。尽管如此，为了在高压，如超过100乇(Torr)(这在形成热等离子体时是必须的)下维持放电，则需要高达几百KW的功率。此外，必须使用气体流来保护设在感应线圈内部的玻璃管，以此来阻止感应线圈与等离子体之间的接触。

与这两种传统的技术相比，微波等离子吹管具有下列特点(a)至(c)。即就是，(a)可以不使用电极产生放电；(b)甚至在超过100乇的高压下，与RF放电方法相比可以在减少约二位数的低功率损耗下维持电弧放电；及(c)由于不需要设置感应线圈及玻璃管，微波等离子吹管单元可构成小尺寸的单元。因此，利用布置多个这样的单元，可进行有大规模的处理。因为微波等离子吹管具有这些特点，因此微波等离子吹管可期望不仅应用于热等离子处理技术，而且也可应用于高纯度地处理薄膜材料的技术。

传统的微波等离子吹管是公知的，例如已由日本公开专利文献No.3-57199公开。在该专利文献公开的等离子吹管中，为了传播微波，在同轴波导端部外导体的直径被设置得小。在这样一种构型中，电场将集中在同轴波导的端部分上，由此产生了电弧放电。

然而，传统的微波等离子吹管具有下列问题。首先，由于内、外导体的一部分被其中产生的电弧放电不利地侵蚀，构成内、外导体被侵蚀部分的物质成分不被希望地作为杂质被混入到产生出的等离子体中。此外，外导体直径的减小也同样使同轴波导端部的阻抗降低。其结果是，由于电能在同轴波导的端部被反射及吸收，阻抗不能被满意地匹配，并且难于稳定地维持放电。再者，在沿圆周方向导入的气流与沿径向导入的气流汇合的点上，易于产生紊流，因而难于获得一稳定的等离子火焰。

本发明的微波等离子吹管包括：一个具有抽真空装置的真空容器；一个同轴波导，它包括一个内导体、一个外导体，该同轴波导的第一端部分与供给微波的微波供给装置相连接，及该同轴波导的第二端部分与真空容器相连接，由此将从微波供给装置供给的微波沿同轴波导轴导入到真空容器中；及一个气体供给装置，用于沿多个喷射轴将气体喷入真空容器。在该微波等离子吹管中，至少多个喷射轴中的两个在第二端部位置中相对于波导轴处于扭转位置上，并且不在垂直于波导轴的平面中及在第二端部附近，内导体直径与外导体直径之比沿波导轴自第一端部向第二端部减小。

在一个实施例中，气体供应装置包括布置在第一端部分及第二端部分之间的一个介电板，并包括多个用于使气体沿多个喷射轴喷射到真空容器中的喷气孔。

在另一实施例中，介电板具有耐热性。

在又一实施例中，所有的多个喷射轴相对于微波轴处于扭转位置上，并且不在垂直于波导轴的平面中。

在另一实施例中，在第二端部分附近的内导体顶端部分被一个耐热介电板覆盖。

在又一实施例中，介电板包含与气体中所含反应物质中成分相同的成分。

在另一实施例中，内导体至少包括一个喷气孔，用于在第二端部分中喷射气体。

在又一实施例中，在第二端部分中内导体比外导体更多地伸入到真空容器中。

在另一实施例中，内导体的第二端部分被分成多个分支。

在又一实施例中，该微波等离子吹管还包括一个梯度磁场发生装置，用于产生沿波导轴自第一端部分向第二端部分其强度逐渐减小的磁场。

在另一实施例中，该梯度磁场发生装置在真空容器中离开同轴波导第二端部分的点上所产生的磁场强度足够引起一种电子回旋加速共振(ECR)状态。

在又一实施例中，该微波等离子吹管还包括一个旋转磁场发生装置，用于在真空容器中产生一旋转磁场。

在另一实施例中，该微波等离子吹管包括多个同轴波导及多个气体供给装置。