微波等离子体
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（1）两种加热模式
bulk heating: 整体加热 surface heating:表面加热
分界点： f 波 = f电子等离子体 n = n 截止
○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 z 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
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
pabs
∝ ν
2
ν +ω2
E2
2．45G
的微波放电，放电气压为
10mtorr
时，
ν ω
≈
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
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 z 无限大平面波
n = ε 1/2
εp =1−ω2p ω2 <1
εp <εd
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，
同轴耦合天线
谐振条件：R=λ,d =λ
⊙多模腔 谐振腔尺寸: R >> λ; d >> λ （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。
⊙表面波等离子体（surface microwave plasma,SWP）源 尺寸: R = λ （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
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： δ < 2π (？)
Vth ω
（b） 表面共振层处的微波电场足够大
（c） 电子热速度Vth ≈ V p
电磁波（EM）：
V p等离子体
= V p真空 εp
> V p真空
模式转换
电子等离子体(EP): Vp等离子体 << Vp真空
微波等离子体
z 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ห้องสมุดไป่ตู้射波能量将至最低。
z 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。
z 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
微波模式随气压的变化 m=8（660Pa）--->m=16(1000Pa)
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
下游区
微波模式 P0=10Pa, m=4, P0=230Pa,m=6
大面积 SWP 的特点： （1） 多种模式共存（？） （2） 放电出现跳跃 （3） 有两种电子加热模式（不等同微波模式） 优点：SWP 的优点：无溅射污染（？） 无磁场，结构简单（相对而言） 缺点：存在模式跳跃，放电不稳定，无法自动匹配 放电角向均匀性差
---- >电子热速度Vth ≈ V p ---- >朗道阻尼
z 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-----> fR ≥ 2GHzcm. 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，
z 法国表面波等离子体源 大源
stub tuners microwave waveguide generator
metal tube
一种大面积均匀的等离子体源
应用：气体反应（甲烷--->乙炔），有害气体处理
侧视图
表面波 行波
顶视图
多管 SWP 源
z 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） z 日本顶面狭缝（重点）
mode1
0.6
mode2
mode3
8
0.4
7 3
0.2 6 4 5
2 9 10 1
0.0 0.0
P inc1
P inc2
0.5
1.0
1.5
P (kW) in
(a) 2.0
I (a.u.) oes
250 200 150 100
50 0 0.0
mode1 mode2 mode3
0.5
1.0 P (kW)
ε p =1− ω2p ω2 < 0
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
z 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？
z 微波等离子体反应器结构： ⊙单模谐振腔
谐振腔尺寸: R = λ, d = λ （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。
石英管
同轴传输线 微波源
gas injector
substrate holder
quartz tube
plasma quartz window OES
Ar/N2 gases
pumping pumping
voltage meter
小源
（a）电场角向分布 (m=3)（小源）
（b）放电模式跳跃 理论
实验 （大源）
P (kW) ref
in
(b)
1.5
2.0
Pref (kW) Vf (V)
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
0.0
V f
P ref
mode 2 waveguide mode
0.5
1.0
P (kW) in
30
25
mode 1
20
plasma mode
15
10
5
0
-5
1.5
2.0
美国：（Michigan University）
bulk heating: 整体加热 surface heating:表面加热
分界点： f 波 = f电子等离子体 n = n 截止
○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 z 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
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
pabs
∝ ν
2
ν +ω2
E2
2．45G
的微波放电，放电气压为
10mtorr
时，
ν ω
≈
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
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 z 无限大平面波
n = ε 1/2
εp =1−ω2p ω2 <1
εp <εd
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，
同轴耦合天线
谐振条件：R=λ,d =λ
⊙多模腔 谐振腔尺寸: R >> λ; d >> λ （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。
⊙表面波等离子体（surface microwave plasma,SWP）源 尺寸: R = λ （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
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： δ < 2π (？)
Vth ω
（b） 表面共振层处的微波电场足够大
（c） 电子热速度Vth ≈ V p
电磁波（EM）：
V p等离子体
= V p真空 εp
> V p真空
模式转换
电子等离子体(EP): Vp等离子体 << Vp真空
微波等离子体
z 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ห้องสมุดไป่ตู้射波能量将至最低。
z 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。
z 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
微波模式随气压的变化 m=8（660Pa）--->m=16(1000Pa)
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
下游区
微波模式 P0=10Pa, m=4, P0=230Pa,m=6
大面积 SWP 的特点： （1） 多种模式共存（？） （2） 放电出现跳跃 （3） 有两种电子加热模式（不等同微波模式） 优点：SWP 的优点：无溅射污染（？） 无磁场，结构简单（相对而言） 缺点：存在模式跳跃，放电不稳定，无法自动匹配 放电角向均匀性差
---- >电子热速度Vth ≈ V p ---- >朗道阻尼
z 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-----> fR ≥ 2GHzcm. 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，
z 法国表面波等离子体源 大源
stub tuners microwave waveguide generator
metal tube
一种大面积均匀的等离子体源
应用：气体反应（甲烷--->乙炔），有害气体处理
侧视图
表面波 行波
顶视图
多管 SWP 源
z 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） z 日本顶面狭缝（重点）
mode1
0.6
mode2
mode3
8
0.4
7 3
0.2 6 4 5
2 9 10 1
0.0 0.0
P inc1
P inc2
0.5
1.0
1.5
P (kW) in
(a) 2.0
I (a.u.) oes
250 200 150 100
50 0 0.0
mode1 mode2 mode3
0.5
1.0 P (kW)
ε p =1− ω2p ω2 < 0
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
z 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？
z 微波等离子体反应器结构： ⊙单模谐振腔
谐振腔尺寸: R = λ, d = λ （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。
石英管
同轴传输线 微波源
gas injector
substrate holder
quartz tube
plasma quartz window OES
Ar/N2 gases
pumping pumping
voltage meter
小源
（a）电场角向分布 (m=3)（小源）
（b）放电模式跳跃 理论
实验 （大源）
P (kW) ref
in
(b)
1.5
2.0
Pref (kW) Vf (V)
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
0.0
V f
P ref
mode 2 waveguide mode
0.5
1.0
P (kW) in
30
25
mode 1
20
plasma mode
15
10
5
0
-5
1.5
2.0
美国：（Michigan University）