具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

第一实施例

本实施例提供了一种等离子体中带电粒子运动控制装置，该装置的结构如图1和图2所示，其包括：多组亥姆霍兹线圈1和带电粒子运动控制腔2；其中，

多组亥姆霍兹线圈1布设在带电粒子运动控制腔2周围，如图1所示；多组亥姆霍兹线圈1连接可编程电流源，当接通电流源时，多组亥姆霍兹线圈1在带电粒子运动控制腔2周围施加多方向的磁场，磁场的大小及方向由电流源精确控制，磁场利用洛伦兹力：F＝|q|νBsinθ，调控带电粒子运动行为；

带电粒子运动控制腔2包括腔体和设置在腔体顶部的带电粒子种类筛选层3，带电粒子种类筛选层3由多层金属网筛构成，相应地，第一电压源包括与金属网筛的数量相匹配的多个相互独立的电压源；每层金属网筛分别连接一个独立的电压源(可编程电压源)；通过调节各独立的电压源使金属网筛层之间形成电势差，利用原理：F＝(U_a-U_b)q＝ma，按照带电粒子质量和电量等性质筛选进入腔体内的带电粒子种类；其中，F表示带电粒子的受力，U_a、U_b分别表示相邻两层金属网筛的电势，q表示带电粒子的电量，m表示带电粒子的质量，a表示带电粒子的加速度。金属网筛的数量不限制,不同金属网筛连接不同的电压可以筛选不同质量的粒子。

腔体连接第二电压源和偏电压源，当接通第二电压源和偏电压源时，腔体的内部形成电场，该电场用于控制进入腔体内部的带电粒子的运动方向和带电粒子冲击基底的运动能量。其中，第二电压源和偏电压源均为可编程电压源。

具体地，在本实施例中，腔体为顶部开口的长方体结构，其由底部极板和两组水平方向极板组成；其中，每组水平方向极板分别连接一独立的电压源，当接通各组水平方向极板对应的电压源时，在腔体的内部形成平行电场，通过调节各组水平方向极板对应的独立电压源来调节腔体内的平行电场的强度，从而精确控制进入腔体内部的带电粒子的运动方向；

底部极板连接偏电压源，在腔体的内部形成偏电压场，通过调节偏电压源来调节偏电压场的强度，从而精确控制进入腔体内部的带电粒子冲击目标基底4的运动能量。其中，带电粒子在水平方向电场和偏电压场中受力为：F＝Eq。

工作时，等离子体进入带电粒子运动控制装置，通过调节多方向磁场的场强、方向，调控带电粒子运动行为，同时束缚等离子体，增强等离子体密度。等离子体中带电粒子接近带电粒子运动控制腔2时，会被带电粒子运动控制腔2周围的鞘层加速冲击带电粒子运动控制腔2。进入带电粒子运动控制腔2的带电粒子在带电粒子种类筛选层3中依据粒子质量、电量被筛选，筛选后的带电粒子会进入带电粒子运动控制腔2内部，其运动方向和能量会受到水平极板和底部极板产生的水平电场和偏电压场的精确控制，最终沉积到目标基底4之上。此过程实现了等离子体中带电粒子运动方向和能量的精确人为控制目的。

本实施例提供的等离子体中带电粒子运动控制装置可安装于传统PECVD设备腔体内部。由PECVD产生的等离子体将进入该等离子体中带电粒子运动控制装置，该装置将对等离子体中带电粒子种类、运动方向以及能量进行精确控制，从而实现对所沉积的材料结构形貌性质的精确控制。达到等离子体中带电粒子运动人为精确控制的目的，进而扩展了PECVD设备沉积或刻蚀功能及效果。

第二实施例

本实施例提供了一种基于上述的等离子体中带电粒子运动控制装置实现的等离子体中带电粒子运动控制方法，该方法包括：

将上述等离子体中带电粒子运动控制装置安装于等离子增强化学气相沉积PECVD设备的沉积区中，将目标基底4放置于带电粒子运动控制腔2内；向PECVD设备通入前驱气体，并开启PECVD加热；当实验条件达到设定温度的时候，将前驱气体电离，然后根据实验设计调节电流源、第一电压源、第二电压源和偏电压源的工作参数；通过开启或关闭磁场、带电粒子种类筛选层3、腔体内的水平电场和偏电压场控制到达目标基底4的粒子种类、运动方向及能量。

具体地，通过开启或关闭磁场、带电粒子种类筛选层、腔体内电场控制到达目标基底的粒子种类、运动方向及能量，包括：

当等离子体进入等离子体中带电粒子运动控制装置时，通过调节磁场的场强和/或方向，调控带电粒子运动行为，同时束缚等离子体，增强等离子体密度。通过带电粒子种类筛选层3，依据粒子质量和电量筛选进入腔体的粒子种类。通过调节第二电压源来调节腔体内的平行电场的强度，以控制进入腔体内部的带电粒子的运动方向。通过调节偏电压源来调节腔体内的偏电压场的强度，以控制进入腔体内部的带电粒子冲击目标基底的运动能量。

下面结合具体的实验进一步说明本实施例的方案：

实验一，实验参数参见表1：

表1实验一的相关实验参数

材料沉积分以下几个步骤：1.H₂通入反应腔；2.腔体温度加热至850℃；3.单频率200W起辉，对基底表面进行还原预处理；4.处理结束后，关闭射频输入，通入CH₄气体；5.单频率500W起辉，将X、Y、Z方向磁场电流分别设置为0、20、15mA，关闭带电粒子种类筛选层，X、Y方向电场分别设置为100、0V，基底偏电压设为70V，然后沉积材料40min。6.关闭射频输入，关闭加热，关闭磁场、电场、偏电压场，待温度冷却至室温，关闭气体，取出目标沉积材料。

实验二，实验参数参见表2：

表2实验二的相关实验参数

材料刻蚀分为以下几个步骤：1.放入待刻蚀样品碳纤维于基底上；2反应腔抽真空至0.01Torr；3.腔体温度加热至300℃；4.通入O₂，等待反应腔压力稳定；5.单频率250W起辉，将X、Y、Z方向磁场电流分别设置为0mA、0mA、30mA，关闭带电粒子种类筛选层，X、Y方向电场分别设置为50V、0V，基底偏电压设为100V，然后刻蚀样品3分钟。6.关闭射频输入，关闭加热，关闭磁场、电场、偏电压场，待温度冷却至室温，关闭气体，取出目标材料。

本实施例通过上述装置对等离子体中带电粒子种类、运动方向及能量进行精确控制，实现了对所沉积的材料结构形貌性质的精确控制。达到等离子体中带电粒子运动人为精确控制的目的，扩展了PECVD设备沉积或刻蚀功能及效果。

此外，需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

还需要说明的是，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，尽管已描述了本发明的优选实施例，但对于本技术领域的技术人员来说，一旦得知了本发明的基本创造性概念，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。