微波等离子体剖析

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<

th

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