螺旋波等离子体研究进展

螺旋波等离子体为目前能产生最高等离子体密度的低温等离子体源之一,在低温等离子体应用领域中备受关注。螺旋波等离子体源具有电离效率高、电子密度高、约束磁场低、结构相对简单、可在极低气压下放电等优点,使其在集成电路工艺、薄膜沉积、刻蚀、表面改性和等离子体宇航推进等领域有着广泛的应用前景。本文综述了近年来螺旋波等离子体的主要研究进展,包括螺旋波等离子体的基本原理、耦合机制、低场峰现象、双电层结构等放电特性以及推进机制的研究进展,在此基础上展望了螺旋波等离子体未来的发展方向。     

均匀密度等离子体柱中螺旋波径向场型分布及能量分布数值研究

本文考察在高密度、强磁化径向密度均匀等离子体柱中,在径向等离子体密度量级及轴向静磁场数值不断增大的情况下,等离子体柱内右旋螺旋波与左旋螺旋波的电磁场幅值分布特性及径向模式能量分布特性。采用数值方法,求解基于m=-1方程组的耦合波方程组,得到2×10-2~9×10-2T磁场变化区间与1×10~(13)~9×10~(13)cm~(-3)径向等离子体密度量级变化条件下等离子体柱内右旋螺旋波与左旋螺旋波的场幅值及其径向能量分布情形。计算结果表明,轴向静磁场B0增大(2×10~(-2)~9×10~(-2)T),左旋螺旋波(LH-wave)场幅值减小,右旋螺旋波(RH-wave)场幅值增大,RH-wave与LH-wave径向能量幅值均减小;径向密度n_0增大,LH-wave场幅值增大,RH-wave场幅值减小,RH-wave与LH-wave径向能量幅值均增大;LH-wave能量峰值位置在距等离子体柱中心轴1/5半径处,而RH-wave能量峰值位置出现在中心轴附近处;B0约为几百高斯、n_0约为10~(13)cm~(-3)量级条件下,RH-wave总是较LH-wave在场幅值与能量沉积过程中占主导地位。     

基于均匀模型的低气压电容耦合射频放电特性研究

针对磁流体流动控制技术对大体积、均匀放电等离子体的需要,开展了低气压下平板型电容耦合放电特性实验研究,并基于均匀射频放电模型,联立能量平衡方程建立诊断模型对等离子体参数进行诊断。结果表明:气压较低时,放电为α模式,整个放电空间发光较为均匀,当气压大于500 Pa时,放电转变为γ模式,在电极附近出现负辉光区,但负辉光区较厚占据了整个放电空间,随着气压增大,负辉光区、法拉第暗区厚度减小,并在放电区域中心出现明显正柱区,正柱区面积随负载功率的增大而增大;放电为γ模式时,电流将随负载功率增大而增大,而电压先不变后增大,并且转折点负载功率随着气压增大而增大;电子数密度ne随负载功率的增大线性增大,而电子温度T_e只是略有增大,约为5500 K(0.47 e V)。     

不同流速对LTE态下氢等离子体特性的研究

采用二维流体力学模型研究了多级直流弧放电装置中流速对处于局部热平衡状态下氢等离子体特性的影响.分析了氢等离子体中心轴线处电场和压强的分布情况;各粒子密度在通道中的分布状态;通道出口处等离子体温度以及电导率的分布情况.模拟结果表明,随着流速的增大,中心轴线处电场和压强均增大;通道中氢等离子体的各粒子密度变化很小;通道出口处等离子体温度以及电导率在出口处沿径向的分布影响不大.     

螺旋波离子推力器关键技术研究

螺旋波离子源利用放电室外部天线激发的螺旋波将能量耦合到放电室中,在附加磁场的作用下,可以产生高密度的低温等离子体。目前以螺旋波放电作为离子源的电推力器大多采用了无电极的加速方式,加速效果不显著,推力、比冲较低,而将螺旋波离子源和成熟的栅极加速技术结合在一起的螺旋波离子推力器有望成为新的高效率、高比冲的推力器。从提高推力器性能的角度出发,就螺旋波离子推力器设计需要考虑的关键技术展开分析。讨论了天线结构、辐射阻抗、辐射方向性对天线耦合效率的影响;放电室尺寸、磁场强度和射频功率对放电效率的影响;栅极加速系统的设计及其与螺旋波离子源的耦合分析等。     

He-Ar潘宁过程对表面波等离子体柱功率的影响

由单极驱动的表面波等离子体(Surface-wave-sustained plasma,SWP)是近年发展起来的一种低气压、高密度等离子体,这种技术非常适用于等离子体天线等领域.本文介绍了一种简易实用的SWP源,研究了He-Ar组成的潘宁气体对于表面波等离子体柱的放电起始功率及维持功率的影响.测试了不同潘宁气体配比时的等离子体密度和等离子体温度.研究结果表明,应用合适配比的潘宁气体对于等离子体特性有很大影响,它可以有效地降低放电起始功率和放电维持功率,提高等离子体密度,等离子体温度略降低.     

交叉型天线感应耦合等离子体源放电特性及均匀性

本文介绍了一种交叉型天线射频感应耦合等离子体源,射频天线穿过交叉排列的石英管内置于真空腔体中.本文运用朗谬尔探针方法诊断了放电等离子体的参量及其均匀性,运用发射光谱技术进行了Af谱线[4s'(1/2)0-4p'(1/2)]的发光强度的表征,并使用自制的Rogowski线圈测量了天线中的射频电流变化.结果表明,等离子体放电随着射频输入功率的增加存在着E模式向H模式的转变,H模式放电时发光强度及射频电流明显增大.电子温度随气压的增大而降低,几乎不受功率的影响.该等离子体源所产生的等离子体密度较高,等离子体均匀性在中心±60mm区域内优于90%.     

真空放电中磁场对等离子体生成特性的影响

本文针对锥-筒、锥-螺旋电极结构,通过Ansoft Maxwell 3D电磁场仿真软件,分析了放电时,两种电极内部的电场分布与磁场分布。通过朗缪尔探针法,对真空放电生成的等离子体参数进行了测量,重点讨论了电极内部磁场对等离子体生成密度的影响。在上述讨论的基础上,针对锥-螺旋电极,进一步分析了螺旋电极的螺距对电极间的电磁场分布及等离子体生成和传播特性的影响。实验及仿真结果表明,锥-螺旋电极较传统的锥-筒电极,可以获得较高密度的金属等离子体。放电电流在螺旋状电极内部产生的磁场,对向四周扩散的等离子体有一定的约束作用,适当减小螺旋电极的螺距,既可以增大阴极尖端的电场强度,同时可以有效增大螺旋电极内部的磁场强度,更易于在电极轴向获得更高密度的等离子体。     

基于质谱诊断的C4H8/H2等离子体状态在放电腔室的径向分布研究

利用质谱研究了不同工艺参数下C_4H_8/H_2等离子体的离子组分和能量的径向分布规律,并分析了CH片段的裂解与聚合过程。结果表明,当工作压强较低时(≤7Pa),小分子CH片段的相对密度随径向距离的增大而逐渐减小,大分子CH片段则逐渐增多;随着工作压强的增大,CH片段的相对密度达到极值所对应的径向距离逐渐增大。当射频功率一定时,小分子CH片段的相对密度随径向距离增大而减小,大分子CH片段则逐渐增多。此外,离子能量随径向距离的增大均呈现出逐渐减小的趋势。当工作压强为3Pa、射频功率为20 W时,C_4H_8/H_2等离子体中CH片段的径向分布最均匀,有利于提高辉光放电聚合物薄膜结构与组分的均匀性。     

螺旋波等离子体的密度与离子能量分布的诊断

螺旋波等离子体是一种高密度的低温、低气压等离子体。这种等离子体在超大规模集成电路工艺、微机电系统加工、新型薄膜材料及纳米材料制备、材料表面改性以及气体离子激光器等方面具有广泛的应用前景。本文采用一套球栅阻滞场带通式能量分析器 ,对螺旋波等离子体在工艺室扩散区样品架表面的特性进行了一些初步的实验研究 ,主要测试了在样品附近的等离子体在其表面上所形成的离子流密度 (从而导出等离子体密度 )以及入射离子的能量分布 ,并对这些参数随射频输入功率的变化进行了研究。研究发现 ,在螺旋波等离子体的扩散区 ,离子能量分布的宽度比用离子温度预期的值大得多 ,本文定性地讨论了其原因     

螺旋波等离子体的密度与离子能量分布的诊断

螺旋波等离子体是一种高密度的低温、低气压等离子体。这种等离子体在超大规模集成电路工艺，微机电系统加工、新型薄膜材料及纳米材料制备、材料表面改性以及气体离子激光器等方面具有广泛的应用前景。本采用一套球栅阻滞场带通式能量分析器，对螺旋波等离子体在工艺室扩散区样品架表面的特性进行了一些初步的实验研究，主要测试了在样品附近的等离子体在其表面上所形成的离子流密度（从而导出等离子体密度）以及入射离子的能量分布，并对这些参数随射频输入功率的变化进行了研究。研究发现，在螺旋波等离子体的扩散区，离子能量分布的宽度比用离子温度预期的值大得多，本定性地讨论了其原因。     

大气压双频容性耦合Ar/O_(2)等离子体特性研究北大核心CSCD

文章利用二维流体模型对双频调制大气压Ar/O_(2)放电特性进行了研究,着重讨论高低频电压、低频频率等不同匹配方式对等离子体参数的影响,并且通过对电子加热模式、电子密度、中性粒子密度、正离子能量以及正离子总通量等分析了大气压Ar/O_(2)放电双频调控机制。结果表明,低频源电压的改变使得电子加热模式由α模式转变为DA/α混合模式,且等离子体密度、正离子总通量及离子能量均随着低频电压的升高而增大,发生了解耦现象。与低频源电压不同,高频源电压和低频源频率对电子加热模式不产生影响。此外,高频源电压对等离子体密度及正离子总通量影响较大,对刻蚀工业中易对材料造成损伤的离子能量影响很小;而低频源频率对工业中影响影响较大的离子能量和离子总通量影响较大,对等离子体密度影响较小,实现了等离子体密度和离子能量的独立控制。     

基于均匀离子密度的容性耦合射频放电等离子体的实验诊断研究北大核心CSCD

容性耦合射频(CCRF)放电可用于制备大体积、均匀、低温非热平衡等离子体,已得到了国内外的广泛关注。针对CCRF放电过程中等离子体参量的诊断问题,本文提供了一种基于均匀离子密度的描述CCRF放电的等效回路模型(ECM),并根据等效阻抗原理引入能量平衡方程,对等离子体特征参量电子密度n_e和电子温度T_e进行了诊断,诊断结果与等离子体发射光谱诊断结果相一致。实验结果表明:在一般的CCRF放电过程中,放电电流与放电电压波形呈正弦曲线,高次谐波成分较少且总的谐波强度小于基波信号的11%,可以采用ECM描述等离子体放电状态。随着射频输入功率的增加,等离子体电子密度线性增加,但电子温度变化不明显,鞘层厚度逐渐减小,主等离子体区厚度增加;随着工作气体压强的升高,电子密度和电子温度均减小。对于较高的气压,放电在不同的输入功率下分为低功率下的α模式和高功率下的γ模式,这主要是极板表面的俄歇发射过程引起的。     

基于均匀离子密度的容性耦合射频放电等离子体的实验诊断研究

容性耦合射频(CCRF)放电可用于制备大体积、均匀、低温非热平衡等离子体,已得到了国内外的广泛关注。针对CCRF放电过程中等离子体参量的诊断问题,本文提供了一种基于均匀离子密度的描述CCRF放电的等效回路模型(ECM),并根据等效阻抗原理引入能量平衡方程,对等离子体特征参量电子密度n_e和电子温度T_e进行了诊断,诊断结果与等离子体发射光谱诊断结果相一致。实验结果表明:在一般的CCRF放电过程中,放电电流与放电电压波形呈正弦曲线,高次谐波成分较少且总的谐波强度小于基波信号的11%,可以采用ECM描述等离子体放电状态。随着射频输入功率的增加,等离子体电子密度线性增加,但电子温度变化不明显,鞘层厚度逐渐减小,主等离子体区厚度增加;随着工作气体压强的升高,电子密度和电子温度均减小。对于较高的气压,放电在不同的输入功率下分为低功率下的α模式和高功率下的γ模式,这主要是极板表面的俄歇发射过程引起的。     

电感耦合放电对双频容性耦合Ar-N_2等离子体物理特性的影响

电感耦合等离子体增强的容性耦合等离子体是一种新的等离子体源,采用这种放电方式可以获得高密度均匀的等离子体。本文主要利用朗缪尔单探针对以下几种放电方式的等离子体性质进行诊断:1双频(60,13.56 MHz)容性耦合等离子体;2电感(13.56 MHz)耦合等离子体;3电感(13.56 MHz)耦合增强的双频(60,13.56 MHz)容性耦合等离子体。通过研究电感耦合放电对容性耦合放电的影响,以及电感耦合功率、混合气体比例等宏观参量对等离子体特性的影响,获得材料处理的最佳条件。实验发现当气压是5Pa时:1双频容性耦合等离子体密度是1010 cm-3左右,极板边缘处等离子体密度较低,中心处较高。随着氩气比例增加,等离子体密度提高,电子温度降低。2电感耦合等离子体放电,随着氩气比例增加,等离子体密度增大。当氩气比例增加到70%,等离子体密度发生数量级改变,高于双频容性耦合等离子体。3电感耦合增强的双频容性耦合等离子体密度较高,当氩气比例是80%,容性电感耦合功率200 W时,组合放电等离子体密度最高,均匀性较好,电子温度升高,径向差别不大。通过实验得出,当氩气比例为80%,容性高低频功率分别为150和50 W,电感耦合功率是200 W时,双频(60,13.56 MHz)与电感(13.56 MHz)组合放电可以获得高密度均匀的等离子体。     

细长石英管内直流放电等离子体研究

利用朗缪尔双探针等离子体诊断方法,研究了细长石英管内的低气压直流放电行为,探讨了细长管空间内的放电条件对等离子体参数的影响规律。结果表明:通过提高放电功率和增加阴极数目可以有效的提高等离子体密度,且当放电气压为100 Pa时,电子密度最大,本装置所测最大密度为1.03×10~(17)m~(-3);电子温度则随着放电功率和放电气压的增大而不断减小;放电距离越远,对击穿电压要求越高,分段式放电可以在较低的放电电压下,对较远的电极距离实现直流放电。     

SiH4射频放电功率耗散机制的光发射研究

采用ＯＭＡ－４０００测量了ＳｉＨ４射频辉光放电等离子体的光发射谱,研究了其谱线强度随放电射频功率和反应气体流量间的变化关系。发现在放电射频功率增加和反应气体流量升高的过程中,其等离子体状态分析发生性质不同的转变,这种转变联系到射叔功率耗散机制的变化。当反应气体流量增加时,电子获得能量的机制由阴极暗区加速转变为等离子体内电场的加热效应,而在放电功能升高的过程中,离子轰击阴极产生二次电子发射效应导致了     

He—Ar潘宁过程对表面波等离子体的影响

潘宁过程可以有效地降低直流、低频放电中的放电起始电压.关于射频放电,特别是表面波等离子体中的潘宁过程的研究,目前还很少有报道.本文介绍了一种由Ro-box装置激发的SWP源,通过实验方式研究了此装置产生的表面波等离子体柱中的He-Ar潘宁过程对其物理性质的影响.结果表明,合适配比的潘宁气体对于表面波等离子体柱特性有很大影响,它可以有效地降低放电起始功率和放电维持功率,延长等离子体柱长度,提高等离子体密度等;在此过程中电子温度略降低.本研究为在表面波等离子体应用中获取合适的等离子体参量提供了新的途径.     

小型腔式微波离子源的等离子体产生及引出特性

研制了一种用石英管制作的小型腔式微波离子源，该腔套在石英管的一端，封装两电极引出系统。该离子源利用腔激发起的表面波在石英管内产生等离子体柱。在微波频率为2．45GHz、输入功率为93W时，氮的引出离子流密度可高达91．7mA／cm2。这种表面波放电等离子体源具有体积小、结构简单，在宽的压强范围内能产生再生性好、工作十分稳定的等离子体柱（1012～1013cm-3）等特点。还给出了放电的自一致描述以及放电的电子密度与压强、等离子体柱半径和输入功率的关系。     

射频激励铜离子激光器的功率消耗

通过对射频激励激光器放电电压、电流以及相位的精确测量,基于射频放电等离子体等效电路,得出等离子体总电阻(包括等离子体总电阻和鞘层电阻分量),经非线性最小平方拟合分别得到等离子体电阻和鞘层电阻,进而定量地得到等离子体和鞘层功率消耗,鞘层电压以及鞘层厚度随放电电流变化的关系,借此可以诊断出射频放电处于α或γ放电。研究表明在中等气压氦气中随着气体压强的增加和电流的增加,气体的放电模式将从α放电为主转向γ放电为主。