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