微波等离子体

1、微波等离子体微波等离子体反应器特点：微波：为交流能量（信号），通过波导传输，每一种波导具有一定的特征阻抗（射频传输线理论）离子体的反应器:本质上是具有一定阻抗的负载微波等离子体工作要求：波导特征阻抗二等离子体负载阻抗 微波反射波能量将至最低微波等离子体反应器发展：小尺寸共振腔- 表面波长细等离子体- 大面 积（体积）表面波等离子体。微波等离子体反应器结构：。单模谐振腔谐振腔尺寸：r = %d=，u （谐振条件）阻抗匹配：好，可以不设置附加匹配。激励电场单模（单一本征模）方向：图中电场沿轴向状态：驻波缺点：体积小（？）电场不均匀- 等离子体空间均匀性差。应用：放电灯，光谱分析。:i:!m!ili

2、:，川 m5i:川=:ill r i-to-.:i:!m!ili:， l:ll3p :s:ill iiilie?i 丽hh iiii.il!.dil -i- -7 一il匕.iiih!mlii 楣jin 那百 -mjhi -ira-.- n.1 - ini 1 -1. m“iln_lle=iiii :lklt:!ll:n:n .i-i -. 1 -.i=谐振条件：r= ,d=。多模腔谐振腔尺寸：r 九;d 九（非谐振）阻抗匹配：差，需要附加匹配。优点：电场较均匀- 等离子体空间均匀性好。多模腔。表面波等离子体（surface microwave plasma,swp ）源尺寸：r = ?.（谐

3、振条件），轴向尺寸没有限制阻抗匹配：需要设置附加匹配。激励电场单模或多模（单一本征模）状态：行波优点：大体积，细长缺点：面积小应用：气体反应（甲烷- 乙快），有害气体处理多管swfw两种方式：（a）顶面馈入；（b）侧面馈入日本顶面狭缝（重点）（b）德国环状狭缝（侧面）耦合;（c）法国改进型表面波导（侧面）耦合美国:waveguideplunderplasmamicrowave (2,45 ghz)ppikal emission 网传rn* bottom view i% = 0.4 kw32 mtorr, ar三种装置：（a）日本平面狭缝（顶面）耦合;中国（中国科大、合肥等离子体物理所-大面积/

4、体积swfw（1）两种加热模式德国版01234heating:bulk surface0) m embjodedl uojoomelectron density (10n cm3)bulk heating:整体加热surface heating:表面力口热分界点：f 波 二f电子等离子体n = n截止o同加热模式下等离子体参数轴向分布0123456a ii .111 .hl i i .fa i ll r fa i fa i01234561巴 (7=。一三一)9 (wunfs 七 _0123456depth from window z (cm)microwavem crovjaveplasmas

5、urface waveskin depth5high density氏）不同加热模式的电子加热机理siow electrons are trapped in ainbipcr potential well.g fenergy eenergy e截止密度点（共振点）处的特性及验证hoson&ncg layer position心匚叁5 匚ojp uojtj山 fmemoi0s预测:resonance ayer poshionx4一一思匚一心emojws实验验证:装置microwave2,4： 2.0ghl 1522 w 广quartz window13 56 mhz.t、rectangularw

6、aveguide (109 k 54 mm)2 00rf powai迭1 q c：r r/t-iqj-1.5kw二internal 1cp antenna with water coolingcoupling aperlijreprobe phsma chamber0.0pm0-0ep(dz=cqeon0.0 0102030405060icp power =200 w 130 w 100 wdistance from wall z (mm)共振点附近的等离子体密度和电子温度3c511o b 4 o 4 8 8 6 4 2 0 2 8 6 4 2 0 p f+ plih o d o o o o

7、q o o o o o o o o o (4e) 4ub-nqsqajddistance from the quartz platp (cm)o 5 0 0 8 6 l 60,1(me)t uno aqqjcl 8 6 4 2 _ ib o o o of)m4匚我& ctc1z o.o1oo-1o-20法 司也to 2二0二 ajw匚dp uoqdelumb) albe 右deg yol?jllidistance from the quartz plate (cm)(2) |不同的微波模式无限大平面波plasma %dielectric%= sin。 sin %p d等离子体相对于石英而言为光

8、疏媒质，微波由石英窗口向等离子体传播时：(i)反射+折射(ii) 全反射- 实际情况：微波在光疏媒质中指数衰减。(iii)当等离子体密度足够大时，3p / 3 = y/1 +微波(光)传播特性不同于通常的反射、折射 出现新的行为：微波从界面起在两个介质内衰-即微波场强在界面最大- 表面波有界体系中微波模式m0 ,3 ww)m+ed)xsm gm n =pm2jj)m(ujj “e 1 1c miu)pure surface modesmb)hybridsurfacemu)modes.(s3)o-15tm3?tm47m3tml.litwo7m4 2.02000 tniiu 0e9vu 0z6k1

9、 0 -二 m :lu oeb.hxrwia i10.00.5400600d = 17 mmdielectric,=41.1.0_o)心、syl0.80.60.40.20.0011h4o 2o 7 tm5 3o int2 4 0ahl! 40 - n13:3 0 _tm0 1 -nho/hn、3】fitm2 3o - ni4;2 0 .tml30 卜4tm3 2o 一tmonqhit; 1 rwn iaoo , plasmahybrid surface mode penetration depth 33 mmk.ne = 8.7x1010 cm-3330、pure surface mode 、

10、 penetration depth 3.5 mm- ne = 2.0x1012 cm，-20 -10 010 20 30 40 50z (mm)不同微波模式下的放电图像、电场分布等离子体密度随入射功率的变化o(a)mode m = 3, n = 3 0.4 kw, l05 ton (higher density)(b)mode m = 6. n = 2 0.4 kw, 0.33 ton- (lower density)注意照片在高气压（？）下拍摄问题随着等离子体密度的提高，不同的微波模式出现，该特性对放电有无影响？2.54取 n)=0 01 一 1 i一一一一 j00.20.40.60.81

11、incident microwave power, kw(3)表面波吸收物理机理假设表面波微波能量由电子碰撞吸收(欧姆加热)，2吸收功率pabs工装一2ev +切2. 45g的微波放电，放电气压为10mtorr时，上之0.01, 低气压时电子碰撞吸收效率很低，低气压表面微波放电应该通过其他电子加热方式放电。- 无碰撞电子加热需要满足的条件:(a)电子通过表面微波层的时间短于微波振动周期即：x ( ?)(b)表面共振层处的微波电场足够大(c)电子热速度vth化v p电磁波(em :vp等离子体=p- vp真空模式转换电子等离子体(ep)： vp等离子体vp真空- 电子热速度vth : vp -朗

12、道阻尼德国环状狭缝耦合(侧面耦合)；(a)实物照片(b)微波电场分布示意图(m=5)couphng slotquartz wallring cavityplasmastanding wave e-field patternmagnetroncirculatoradjustablecoupling probeplungermiddle-line ofannular waveguidemovablefigure 2. microwave applicator of the slan sources.342口288。3062341绮198a 微波模式：m=0不存在 fr之2ghzcm.实验结果：m=

13、3 slot数量：2个。f=2.45ghz,r=4cm fr=12.5ghzcmm=5 slot 数量：10 个。f=2.45ghz,r=8cm fr=20ghzcmm=15 slot 数量：30 个f=2.45ghz,r=33cm fr=80ghzcmcouphnc probeplesrr.ac*1 ,m：crowj7e wave 目3由application re5dngtwspace(d)放电照片slot数量：10 个 f=2.45ghz,r=8cmm=5figure & frnmm 曾如 dl uaigcri .心小自 in l帕 slain i ki 恒 | 1 惮 ra iliio

14、ut mzjiu也 l (/) 100 pawhlhoumg值闾 ) 01 pa (wih pevnaieni racial 问 lirwiwii)(e)等离子体密度空间分布轴向分布6一 m】smguo一一chdo -5 q 5101520253035(a)axial positkx) cm(f)临界击穿放电功率磁场，装置尺寸，气压，25002000150。1000500010 21m1011x1001x1011x1021x1031x1d4pressure paco=aw8uo3 1法国表面波等离子体源大源quartz tubeshib tuneraecuide _mieclor、quartz

15、 windowjsubstrate ho1detar;h g酒骗pmipingpunningmino wave senerator(a)电场角向分布(m=3)(小源)(b)放电模式跳跃论150pjiismi modfsne（大源）0.00.6) 0.4*pe0.20.00.51.01.52.0r(kw)*(kw)wf p1.00.80.60.40.20.0 vf喘mode 2，.mode 1-waveguide mode plasma mode302520 15vf 15v1050-50.00.51.01.52.0pin (kw)美国：(michigan university )microwa

16、ve cavityperforatedscreenjusad.silica domeplasma region中国表面波等离子体源(德国版)(a) 合肥等离子体所装置示意图magne tr onquartzchamberring cavityov&ble plungercirculator competence matcherdirectlonalcoupleradjustablecoupling probe微波模式随气压的变化m=8 (660pa) -m=16(1000pa)0270fig, 5. mdctlhn fielddhirilmiinm mcnmirvd al aimicmwjit pimuf nl w jl (d ln. (b) l：ic0 li.装置及不同微波模式放电照片(b)中国科技大学装置示意图密度径向分布产生区rikdial pn 刎l e45i!i2s4 eqo5cup gjtlh-lh h 1 5 030xtlez0246radial posntidn(cjm)微波模式po=10pa, m=4, p 0=230pa,m=6山卜figure & optical emission intansily prot