專利名稱：小功率微波等離子體源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種小功率微波等離子體源，具體而言，涉及一種小功 率平面微帶螺旋電感耦合微波等離子體源，屬微波等離子體源的技術(shù)領(lǐng) 域。
背景技術(shù)：
基于微系統(tǒng)的小功率微波等離子體技術(shù)是一項近幾年隨著MEMS 技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的集微電子技術(shù)、微波技術(shù)和等離子體技術(shù)于一 體的高新技術(shù)。由于MEMS具有低損耗、高隔離、小體積、低制造成本、 易與IC和MMIC電路集成等特點(diǎn)，因此微波等離子體結(jié)合MEMS工藝 可使等離子體的結(jié)構(gòu)和特性發(fā)生巨大的改變。而電感耦合等離子體 (Inductively-coupled plasma，簡稱ICP)是 一 種使用電感線圈進(jìn)行無電 極放電產(chǎn)生等離子體的方式?；谖⑾到y(tǒng)的小功率平面微帶螺旋電感耦 合微波等離子體與其它形式的等離子體相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命 長、狀態(tài)穩(wěn)定，而且無電極污染、特別是更易與其它MEMS器件集成等 優(yōu)點(diǎn)。目前主要形式包括圓柱形螺旋線圈和平面形螺旋線圈(非微帶)等。
微波等離子體可廣泛應(yīng)用于新材料、微電子和化學(xué)等高科技領(lǐng)域， 隨著微系統(tǒng)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用(如MEMS等)，電路尺寸要求在毫米和 微米級，以前那種厘米甚至米級的大面積的微波等離子體己不再適用。 因此，如何用微小功率激勵更小尺寸的微波等離子體就成為問題的關(guān) 鍵。基于微系統(tǒng)的小功率平面微帶螺旋電感耦合微波等離子體源就是采 用微帶技術(shù)通過微小功率微波激勵起微小尺寸的等離子體，如用不超過 3 5瓦的微波功率使氣體電離，產(chǎn)生10毫米甚至0.2毫米尺寸的等離 子體。此項技術(shù)在生物MEMS的殺菌消毒、小尺寸材料的處理、微化學(xué) 分析系統(tǒng)以及微型推進(jìn)器等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
根據(jù)射頻或微波電路理論，平面微帶螺旋電感線圈可等效為分布參 數(shù)電路，即電阻、電感和電容的串并聯(lián)電路。為了高效激勵小功率電感
耦合微波等離子體，有必要對平面微帶螺旋線圈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計， 減小線圈的電阻，使螺旋線圈的品質(zhì)因數(shù)最大，同時實現(xiàn)小功率微波等 離子體源的調(diào)配和調(diào)諧，這樣才可增大進(jìn)入等離子體的功率，從而提高 等離子體激勵的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是推出一種小功率微波等離子體源。該等 離子體源具有以下優(yōu)點(diǎn)品質(zhì)因數(shù)高，具有與饋電輸入端較好的阻抗匹 配，反射小，能很好地實現(xiàn)調(diào)諧和調(diào)配，從而提高等離子體激勵的效率。
本發(fā)明通過采用以下技術(shù)方案使上述技術(shù)問題得到解決。該等離子 體源，需與微波源聯(lián)用，含接地平面、基片、饋電同軸、平面微帶螺旋 電感線圈、過渡微帶線、調(diào)諧電容和調(diào)配電容，平面微帶螺旋電感線圈、 過渡微帶線、調(diào)諧電容和調(diào)配電容的一個極片沉積在基片的上表面，平 面微帶螺旋電感線圈的始端經(jīng)過渡微帶線、調(diào)諧電容與調(diào)配電容的一個 極片連接，接地平面作為調(diào)配電容的另一個極片沉積在基片的下表面， 平面微帶螺旋電感線圈的終端經(jīng)分布電容與調(diào)配電容的另 一 個極片連 接，饋電同軸跨接在調(diào)配電容的兩端，工作時，微波源的輸出信號通過 饋電同軸饋加在調(diào)配電容的兩端。
現(xiàn)結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。 一種小功率微波等離子體 源，該等離子體源，需與微波源聯(lián)用，其特征在于，含接地平面10、基
片20、饋電同軸1、微帶螺旋電感線圈3、過渡微帶線2、調(diào)諧電容4 和調(diào)配電容5，基片20的構(gòu)成材料是耐高溫、耐腐蝕的低損耗介質(zhì)，接 地平面10、微帶螺旋電感線圈3、過渡微帶線2、調(diào)諧電容4的極片和 調(diào)配電容5的極片的構(gòu)成材料是高導(dǎo)電率的金屬材料，微帶螺旋電感線 圈3、過渡微帶線2、調(diào)諧電容4和調(diào)配電容5是平面電子元件，微帶 螺旋電感線圈3的外徑介于3.5mm 4.5mm，微帶螺旋電感線圈3的線 寬w介于20nm 140(im，微帶螺旋電感線圈3的匝間距s介于10pm 70nm,微帶螺旋電感線圈3的匝數(shù)n介于2 8，調(diào)諧電容4的第一極 片41和第二極片42位于同一個平面，微帶螺旋電感線圈3、過渡微帶
線2、調(diào)諧電容4和調(diào)配電容5的上極片51沉積在基片20的上表面21， 接地平面10作為調(diào)配電容5的下極片52沉積在基片20的下表面22， 微帶螺旋電感線圈3的始端31經(jīng)過渡微帶線2、調(diào)諧電容4與調(diào)配電容 5的上極片51連接，微帶螺旋電感線圈3的終端32經(jīng)分布電容與調(diào)配 電容5的下極片52連接，饋電同軸1以其芯柱33和外套34分別與上 極片51和下極片52連接的方式跨接在調(diào)配電容5的兩端，該等離子體 源的諧振頻率介于lGHz 3.5 GHz，工作時，微波源的輸出信號通過饋 電同軸1饋加在調(diào)配電容5的兩端。
本發(fā)明的技術(shù)方案的進(jìn)一步特征在于，所述的耐高溫、耐腐蝕的低 損耗介質(zhì)是藍(lán)寶石、高阻硅、多孔硅、紅寶石或高頻陶瓷。
本發(fā)明的技術(shù)方案的進(jìn)一步特征在于，所述的高導(dǎo)電率的金屬材料 是金或銅。
本發(fā)明的技術(shù)方案的進(jìn)一步特征在于，調(diào)諧電容4是叉指電容。 本發(fā)明的技術(shù)方案的進(jìn)一步特征在于，微帶螺旋電感線圈3的外徑、
線寬w、匝間距s和匝數(shù)n分別為4mm、 50pm、 40pm和3，所述的小
功率微波等離子體源的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)Q分別為2.48GHz和500。 本發(fā)明的技術(shù)方案的進(jìn)一步特征在于，該等離子體源為自諧結(jié)構(gòu)的
小功率微波等離子體源，過渡微帶線2和調(diào)諧電容4合併成過渡微帶線2。
本發(fā)明的小功率微波等離子體源有以下優(yōu)點(diǎn)
1、 微帶螺旋電感耦合實現(xiàn)微波等離子體源的小型化。
2、 電路品質(zhì)因數(shù)高，有利于微波等離子體的激勵，輸入微波功率 小至200mW，就能激勵起穩(wěn)定的微波等離子體。
3、 能很好地實現(xiàn)電路的調(diào)諧和調(diào)配，等離子體激勵的效率高。


圖1是小功率微波等離子體源的俯視結(jié)構(gòu)示意圖，其中1是饋電同 軸，2是過渡微帶線，3是微帶螺旋電感線圈，4是調(diào)諧電容，5是調(diào)配 電容，20是基片，31是微帶螺旋電感線圈3的始端，32是微帶螺旋電
感線圈3的終端，51是調(diào)配電容5的上極片，X-X是縱剖截面線。
圖2是小功率微波等離子體源在X-X縱剖截面線處的縱剖截面圖，
其中IO是接地平面，33是芯柱，34是外套，52是調(diào)配電容5的下極片。 圖3是自諧結(jié)構(gòu)的小功率微波等離子體源的俯視結(jié)構(gòu)示意圖，其中，
過渡微帶線2和調(diào)諧電容4合併成過渡微帶線2。
圖4是小功率微波等離子體源氣體放電的試驗裝置示意圖。
具體實施例方式
為更好的理解本發(fā)明，現(xiàn)結(jié)合附圖和實施例進(jìn)行進(jìn)一步說明本發(fā)明 的技術(shù)方案。所有實施例具有與上文"發(fā)明內(nèi)容"所述的小功率微波等離 子體源完全相同的結(jié)構(gòu)。每個實施例僅羅列技術(shù)數(shù)據(jù)的優(yōu)化值。
實施例1本實施例具有與上述的小功率微波等離子體源完全相同 的結(jié)構(gòu)，見圖1和圖2。試驗裝置的布置示于圖4
所述的耐高溫、耐腐蝕的低損耗介質(zhì)是介電常數(shù)和厚度分別為2.5 和0.6mm的高頻陶瓷，所述的高導(dǎo)電率的金屬材料是銅，調(diào)諧電容4 是叉指電容，微帶螺旋電感線圈3的外徑、線寬w、匝間距s和匝數(shù)n 分別為4mm、 50^n、 40nm和3，所述的小功率微波等離子體源的諧振 頻率和品質(zhì)因數(shù)Q分別為2.48GHz和500，聯(lián)用的微波源的輸出信號的 頻率和功率分別為2.48GHz和458mW。
如所述的耐高溫、耐腐蝕的低損耗介質(zhì)采用藍(lán)寶石、高阻硅、多孔 硅或紅寶石，可得到性能與實施例1的性能差不多的小功率微波等離子 體源。 .
試驗時，玻璃管60罩住微帶螺旋電感線圈3，對玻璃管60抽真空 64，用環(huán)氧膠61密封玻璃管60與微帶螺旋電感線圈3的接縫。聯(lián)用的 微波源的輸出信號由電纜62輸入，經(jīng)饋電同軸1的芯柱33和外套34 饋加在調(diào)配電容5的兩端。在真空度和聯(lián)用的微波源輸出信號的功率分 別為5Pa和大于200mW的條件下，玻璃管60內(nèi)的空氣開始放電，激勵 起穩(wěn)定的微波等離子體63。
實施例2本實施例是自諧結(jié)構(gòu)的小功率微波等離子體源，具有與上
述的自諧結(jié)構(gòu)的小功率微波等離子體源完全相同的結(jié)構(gòu)，見圖3。試驗 裝置的布置示于圖4。
所述的耐高溫、耐腐蝕的低損耗介質(zhì)是介電常數(shù)和厚度分別為2.5 和0.6mm的高頻陶瓷，所述的高導(dǎo)電率的金屬材料是銅，過渡微帶線2 和調(diào)諧電容4合併成過渡微帶線2，微帶螺旋電感線圈3的外徑、線寬 w、匝間距s和匝數(shù)n分別為4mm、 50^m、 40pm和3，所述的小功率 微波等離子體源的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)Q分別為2.48GHz和500，聯(lián)用 的微波源的輸出信號的頻率和功率分別為2.48GHz和458mW。
如所述的耐高溫、耐腐蝕的低損耗介質(zhì)采用藍(lán)寶石、高阻硅、多孔 硅或紅寶石，可得到性能與實施例1的性能差不多的小功率微波等離子 體源。
試驗裝置的布置和操作與實施例1的完全相同，這里就不再贅述。 工作原理。本發(fā)明的技術(shù)方案確保所述的小功率微波等離子體源是 一個品質(zhì)因數(shù)(Q)值很高的諧振器。實施例1和實施例2就是這樣的 小功率微波等離子體源，它們工作時，只要聯(lián)用的微波源輸出信號的頻 率與它們的諧振頻率相等或接近，它們的反射系數(shù)減小，聯(lián)用的微波源 的微波輸出功率的大部分進(jìn)入所述的微波等離子體源中。當(dāng)所述的微波 功率大于一定的氣體壓力下的微波放電功率時，氣體開始放電。氣體是
空氣、氮?dú)饣蚨栊詺怏w。
權(quán)利要求
1、一種小功率微波等離子體源，該等離子體源，需與微波源聯(lián)用，其特征在于，含接地平面(10)、基片(20)、饋電同軸(1)、微帶螺旋電感線圈(3)、過渡微帶線(2)、調(diào)諧電容(4)和調(diào)配電容(5)，基片(20)的構(gòu)成材料是耐高溫、耐腐蝕的低損耗介質(zhì)，接地平面(10)、微帶螺旋電感線圈(3)、過渡微帶線(2)、調(diào)諧電容(4)的極片和調(diào)配電容(5)的極片的構(gòu)成材料是高導(dǎo)電率的金屬材料，微帶螺旋電感線圈(3)、過渡微帶線(2)、調(diào)諧電容(4)和調(diào)配電容(5)是平面電子元件，微帶螺旋電感線圈(3)的外徑介于3.5mm～4.5mm，微帶螺旋電感線圈(3)的線寬w介于20μm～140μm，微帶螺旋電感線圈(3)的匝間距s介于10μm～70μm，微帶螺旋電感線圈(3)的匝數(shù)n介于2～8，調(diào)諧電容(4)的第一極片(41)和第二極片(42)位于同一個平面，微帶螺旋電感線圈(3)、過渡微帶線(2)、調(diào)諧電容(4)和調(diào)配電容(5)的上極片(51)沉積在基片(20)的上表面(21)，接地平面(10)作為調(diào)配電容(5)的下極片(52)沉積在基片(20)的下表面(22)，微帶螺旋電感線圈(3)的始端(31)經(jīng)過渡微帶線(2)、調(diào)諧電容(4)與調(diào)配電容(5)的上極片(51)連接，微帶螺旋電感線圈(3)的終端(32)經(jīng)分布電容與調(diào)配電容(5)的下極片(52)連接，饋電同軸1以其芯柱(33)和外套(34)分別與上極片(51)和下極片(52)連接的方式跨接在調(diào)配電容(5)的兩端，該等離子體源的諧振頻率介于1GHz～3.5GHz，工作時，微波源的輸出信號通過饋電同軸(1)饋加在調(diào)配電容(5)的兩端。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的小功率微波等離子體源，其特征在于， 所述的耐高溫、耐腐蝕的低損耗介質(zhì)是藍(lán)寶石、高阻硅、多孔硅、紅 寶石或高頻陶瓷。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的小功率微波等離子體源，其特征在于， 所述的高導(dǎo)電率的金屬材料是金或銅。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的小功率微波等離子體源，其特征在于， 調(diào)諧電容(4)是叉指電容。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的小功率微波等離子體源，其特征在于， 所述的耐高溫、耐腐蝕的低損耗介質(zhì)是介電常數(shù)和厚度分別為2.5和 0.6mm的高頻陶瓷，所述的高導(dǎo)電率的金屬材料是銅，調(diào)諧電容(4) 是叉指電容，微帶螺旋電感線圈(3)的外徑、線寬w、匝間距s和 匝數(shù)n分別為4mm、 50pm、 40pm和3，所述的小功率微波等離子體 源的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)Q分別為2.48GHz和500，聯(lián)用的微波源的 輸出信號的頻率和功率分別為2.48GHz和458mW。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的小功率微波等離子體源，其特征在于， 所述的耐高溫、耐腐蝕的低損耗介質(zhì)是介電常數(shù)和厚度分別為2.5和 0.6mm的高頻陶瓷，所述的高導(dǎo)電率的金屬材料是銅，過渡微帶線(2) 和調(diào)諧電容(4)合併成過渡微帶線(2)，微帶螺旋電感線圈(3)的 外徑、線寬w、匝間距s和匝數(shù)n分別為4mm、 50(xm、 40pm禾卩3， 所述的小功率微波等離子體源的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)Q分別為 2.48GHz和500，聯(lián)用的微波源的輸出信號的頻率和功率分別為 2.48GHz禾卩458mW。
全文摘要
一種小功率微波等離子體源，屬微波等離子體源的技術(shù)領(lǐng)域。該等離子體源，需與微波源聯(lián)用，含接地平面、基片、饋電同軸、平面微帶螺旋電感線圈、過渡微帶線、調(diào)諧電容和調(diào)配電容，平面微帶螺旋電感線圈、過渡微帶線、調(diào)諧電容和調(diào)配電容的一個極片沉積在基片的上表面，平面微帶螺旋電感線圈的始端經(jīng)過渡微帶線、調(diào)諧電容與調(diào)配電容的一個極片連接，接地平面作為調(diào)配電容的另一個極片沉積在基片的下表面，平面微帶螺旋電感線圈的終端經(jīng)分布電容與調(diào)配電容的另一個極片連接，饋電同軸跨接在調(diào)配電容的兩端，工作時，微波源的輸出信號通過饋電同軸饋加在調(diào)配電容的兩端。有體積小巧和微波等離子體易于激勵等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H05H1/46GK101184359SQ20071017194
公開日2008年5月21日 申請日期2007年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者蓓 周, 斌 廖, 曹煥麗, 朱守正 申請人:華東師范大學(xué)