射頻電感耦合等離子體及模式轉(zhuǎn)變的實驗研究.pdf

1、等離子體是物質(zhì)存在的第四態(tài)，廣泛存在于宇宙和人類的日常生活中。近年來，低溫等離子體在物理、化學、微電子、材料科學、能源、國防軍工等領(lǐng)域得到了廣泛的運用。低溫等離子體存在多種產(chǎn)生方式，有電感耦合等離子體、電容耦合等離子體、輝光放電等離子體、介質(zhì)阻擋放電等離子體等。相對于其他方式而言，電感耦合等離子體(ICP)有著其獨特的優(yōu)勢，比如相對較高的等離子體密度(1011-1012cm-3)，較小的離子通量，以及可控的離子能量等等。因此，它被廣泛運

2、用于等離子體輔助化學合成、薄膜沉積、表面改性、晶體生長、刻蝕等半導體和顯示器工藝上。而工業(yè)應用上的等離子體需要等離子體可控并且穩(wěn)定，這對等離子體的產(chǎn)生與維持提出了更高的要求，而電感耦合等離子體在產(chǎn)生機理及維持環(huán)境上依舊有很多問題懸而未決。基于此，本文開展了電感耦合等離子體的研究工作。
　　隨著射頻輸入功率的不斷增加，電感耦合等離子體在放電中存在兩種工作模式:即低輸入功率（或小線圈電流）下的容性耦合模式（E模）和高輸入功率（或大線圈

3、電流）下的感性耦合模式（H模）。隨著輸入功率開始饋入到等離子體，等離子體被激勵產(chǎn)生并開始工作在E模狀態(tài)，此時整個放電主要是由線圈兩端的電勢差產(chǎn)生的軸向電場來維持。隨著輸入功率不斷增加直至超過一定的閾值，等離子體工作狀態(tài)會突然跳變進入H模，這時放電主要由法拉第效應產(chǎn)生的環(huán)向電場來維持。隨著輸入功率不斷降下來，放電又會回到E模狀態(tài)，而H→E的轉(zhuǎn)變功率一般會低于E→H的轉(zhuǎn)變功率，從而呈現(xiàn)出滯回線的現(xiàn)象。ICP放電中的這種E(→)H模式轉(zhuǎn)變和滯

4、回現(xiàn)象主要是由于等離子體吸收功率和耗散功率的非線性導致的。
　　我們設計了一個圓柱形夾層腔電感耦合等離子體發(fā)生裝置，并利用微波相位法獲得了腔內(nèi)的等離子體電子密度。通過控制輸入功率和工作氣壓，在實驗上成功觀測到了ICP放電過程中的E(→)H模式轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，重點研究了 E→H以及H→E模式轉(zhuǎn)變點（包括轉(zhuǎn)變密度和轉(zhuǎn)變功率）隨著工作氣壓的變化規(guī)律。實驗結(jié)果表明:(1)在低氣壓下(ν＜＜ω)，E→H轉(zhuǎn)變密度幾乎不變;高氣壓下(ν＞＞ω)，轉(zhuǎn)變

5、密度隨著氣壓增加而不斷增大。E→H轉(zhuǎn)變功率在低氣壓下隨著氣壓增大而不斷減小，在高氣壓下隨著氣壓增大而增大，在ν=ω(氬氣壓4Pa左右）時達到最低。(2)對于H→E轉(zhuǎn)變點來說，低氣壓下，H→E轉(zhuǎn)變密度幾乎保持不變;高氣壓下，H→E轉(zhuǎn)變密度隨著氣壓增加而增大。在轉(zhuǎn)變密度上，H→E與E→H的變化趨勢是一致的。但H→E轉(zhuǎn)變功率幾乎隨著氣壓不斷下降，僅僅在氣壓高于40Pa左右時才略有提高。此外，我們在實驗中還觀測到工作氣壓較低時，放電無滯回現(xiàn)象，

6、只有當氣壓高于8Pa左右時，滯回線才會比較明顯，并且隨著氣壓進一步升高，滯回線寬度不斷增加。
　　此外，我們還研究了線圈半徑的大小對模式轉(zhuǎn)變點的影響。經(jīng)過實驗對比觀察到，在相同的工作氣壓下，采用圓柱型外電極放電時，其轉(zhuǎn)變密度和轉(zhuǎn)變功率均明顯提高。我們建立了一個圓柱型ICP模型，從加熱方式上分析了這一結(jié)果:采用圓柱型外電極放電時，其線圈半徑較大導致與放電腔體的接觸面積增大，即增加了電容耦合分量中隨機加熱的功率值，因此需要更高的等離子

7、體電子密度和饋入功率來使得電感分量超過電容分量，最終達到E(→)H模式的轉(zhuǎn)變。該結(jié)果從理論和實驗上充分證明了隨機加熱對于模式轉(zhuǎn)變的重要性，有助于我們對ICP放電模式的轉(zhuǎn)變和滯回線現(xiàn)象的深入認識和理解。
　　隨著輸入功率饋入到真空腔體內(nèi)，等離子體最先是在線圈附近被激發(fā)產(chǎn)生，然后通過擴散到達整個腔體，因而等離子體在線圈附近的密度最高，隨著距離線圈越遠電子密度不斷降低。要解決類似工業(yè)應用上的大面積、高密度等離子體，選擇合適的放電方式和電

8、極布置是至關(guān)重要的。我們在夾層等離子體放電腔中，采用三種不同的電極（包括圓柱型外電極、凹腔型內(nèi)電極和多電感組合凹腔型電極）分別進行放電實驗，在一個較寬的工作氣壓范圍下(1-200Pa)，研究了其對腔體內(nèi)等離子體分布的影響。實驗結(jié)果表明:外電極和內(nèi)電極放電時，夾層腔體內(nèi)等離子體分布基本相同，等離子體電子密度在腔體底部線圈附近最高。隨著與電極距離不斷增加，其電子密度持續(xù)下降，在頂部時密度僅能達到3×1010cm-3(輸入功率2800W)，相

9、對底部而言電子密度整體下降了一個數(shù)量級左右。多電感組合凹腔型放電則能夠較好地提高夾層腔頂部等離子體電子密度，在相對較低的輸入功率下(1600W)，就可以提高至1011cm-3的量級。這是因為多電感組合式放電采用內(nèi)部封閉式的電極布置，可以很好地減少傳輸能量的損耗，提高能量耦合效率。該研究為電感耦合等離子體在工業(yè)生產(chǎn)上的實際運用提供了強有力的技術(shù)支持。
　　電感耦合等離子除了在工業(yè)上有著廣泛的應用外，其在國防中也有著重要的應用前景，這

10、是因為等離子體對入射電磁波存在碰撞吸收等相互作用，通過在飛行器表面產(chǎn)生一層等離子體可以有效地降低它的雷達散射截面(RadarCross Section，簡稱RCS)。我們采用多電感組合凹腔型ICP放電的方式，通過調(diào)節(jié)射頻輸入功率來控制夾層腔頂部的等離子體電子密度，在實驗上研究了等離子體對5.0-7.0GHz和9.0-12.0GHz微波幅度衰減的影響。實驗表明，隨著等離子體電子密度的升高，等離子體對入射波的衰減不斷增強。在5.0-7.0G

11、Hz這個頻段內(nèi)，當氬氣氣壓25Pa，輸入功率1600W時，等離子體對微波的衰減效果最佳，在這2GHz的帶寬范圍內(nèi)平均衰減15dB左右。我們對最強衰減峰5.26GHz進行點頻測量，觀察到當輸入功率1500W時達到峰值31dB。在9.0-12.0GHz這個頻段內(nèi)，當氬氣氣壓25Pa，輸入功率1600W時，等離子體對微波有較強的衰減效果，并在1GHz的帶寬范圍內(nèi)(9.0-10.0GHz)大于10dB。我們對最強衰減峰9.8GHz進行點頻測量，