微波等离子体

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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)

等离子体的反应器: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=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: λ

λ=

R,(谐振条件)

=d

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。

⊙多模腔

谐振腔尺寸: λ

λ>>

R;(非谐振)

>>d

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。

⊙表面波等离子体(surface microwave plasma,SWP)源

尺寸: λ

=

R(谐振条件),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--->乙炔),有害气体处理

侧视图

多管SWP源

●大面积/体积SWP源

两种方式:(a)顶面馈入;(b)侧面馈入

三种典型装置:(a)日本平面狭缝(顶面)耦合;

(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:

中国(中国科大、合肥等离子体物理所----> 德国版)●日本顶面狭缝(重点)

(1)两种加热模式

bulk heating: 整体加热 surface heating:表面加热 分界点:

电子等离子体波f f = 截止n n =

○不同加热模式下等离子体参数轴向分布

不同加热模式的电子加热机理

截止密度点(共振点)处的特性及验证

预测:

实验验证:装置

ICP 等离子体密度轴向分布不同功率下的微波轴向分布

共振点附近的等离子体密度和电子温度

(2)不同的微波模式 无限大平面波

2/1ε=n

112

2

<-=ωωεp

p

d p εε<

等离子体相对于石英而言为光疏媒质,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,

012

2<-=ωωεp

p 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

不同微波模式下的放电图像、电场分布

[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?

等离子体密度随入射功率的变化。

(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), 吸收功率2

2

2E p abs ω

νν+∝

2.45G 的微波放电,放电气压为10mtorr 时,01.0≈ω

ν

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:ω

π

δ2

V (?)

(b ) 表面共振层处的微波电场足够大 (c ) 电子热速度p th V V ≈

电磁波(EM ): 真空真空

等离子体p p

p p V V V >=ε

模式转换

电子等离子体(EP): 真空等离子体p p V V << ---- >电子热速度p th V V ≈---- >朗道阻尼

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)

(c)微波模式: m=0不存在----->GHzcm

.

fR2

实验结果:m=3 slot数量:2个。

f=2.45GHz,R=4cm fR=12.5GHzcm

m=5 slot数量:10个。

f=2.45GHz,R=8cm fR=20GHzcm

m=15 slot数量:30个。

f=2.45GHz,R=33cm fR=80GHzcm

(d)放电照片

slot数量:10个f=2.45GHz,R=8cm m=5

(e)等离子体密度空间分布

轴向分布

(f)临界击穿放电功率磁场,装置尺寸,气压,

法国表面波等离子体源大源

小源

(a)电场角向分布(m=3)(小源)

(b)放电模式跳跃

理论

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