氩汞电感耦合等离子体模式转变和微波等离子体源实验研究

论文摘要

高密度等离子体源在工业生产和科研领域都有广泛的应用,其产生方式多种多样,例如常见的射频电感耦合等离子体源和微波等离子体源。在射频电感耦合等离子体中,存在两种电磁场分布的模式,分别是电容（E）耦合和电感（H）耦合模式。在射频电感耦合等离子体中,这两种模式间的转变却是非线性的过程,造成等离子体参数量级上的跳变。在一定的放电条件下电感耦合等离子体还存在所谓滞回线现象,使得等离子体参数分布存在诸多不确定性,这深刻影响着射频电感耦合等离子体在半导体制造、材料处理和空间推进等诸多领域的应用。改变放电工作物质、利用不同种气体混合放电,是一种控制电感耦合等离子体模式转变过程和参数的有效方法。为了调控等离子体源的参数与状态特性,我们使用该方法开展了电感耦合等离子体中氩气和汞蒸气混合放电的模式转变实验研究。在氩等离子体中混入汞蒸气后,由于汞原子和氩原子的电子跃迁能级相近,因此原子碰撞的潘宁效应可能辅助汞原子电离增加等离子体电子密度,同时消耗部分亚稳态氩原子,减少其浓度。实验中我们使用微波干涉仪测量了等离子体源的弦平均电子密度,其结果显示,在E模式下相同功率的电子密度随着汞原子含量的增加而升高,在H模式下电子密度反而随之降低。通过光谱仪我们进一步测量了氩汞混合放电时等离子体的谱线分布及强度,根据氩原子的特征谱线750.4 nm谱线和811.5 nm谱线的强度比,我们可以近似得到等离子体中亚稳态氩原子的浓度。在放电过程中,随着汞原子含量的增加,H模式下两条谱线的强度比例逐渐下降,代表了亚稳态氩原子比例有所降低,反映出汞原子与氩原子碰撞的潘宁效应加剧。在高气压下射频等离子体产生时,由于亚稳态氩原子发生的多步电离效应在总电离中起关键作用,因此其浓度的降低可能导致了H模式下电子密度的降低。同时,亚稳态氩原子的浓度对电感耦合等离子体滞回线现象的产生有重要影响。在较低的射频功率下,等离子体中存在的亚稳态氩原子使得射频功率低于E→H模式转变点时仍能保持H模式放电,最终使H→E模式转变功率低于E→H模式转变功率,产生滞回线现象。因此混合放电时减少的亚稳态氩原子浓度会造成H→E模式转变功率上升,并使滞回线面积减小。利用微波放电方式也能产生高密度等离子体,最典型的是利用电子回旋共振原理将微波能量馈入到等离子体中激发电离。电子回旋共振等离子体构型多样、应用广泛,例如半导体制造中的离子注入、离子束溅射沉积等工艺,和新概念空间电推进引擎等。在本工作中我们将介绍一种全新构型的微波等离子体发生器,针对其特殊应用背景设计了一种独特的等离子体引出方式,并利用多种诊断方法测量了发生器的参数分布和实用性能。在新型的微波等离子体发生器中,我们使用谐振腔和放电天线的组合方式传输微波能量,结合线圈磁场产生等离子体。谐振腔直径为微波波长的2倍,严苛的尺寸使微波能量能够充分谐振耦合至等离子体中,可调节的磁场线圈电流则可以任意产生多种磁场强度分布,最终在谐振效应和电子回旋的共同作用下发生器内能够产生很高密度的等离子体。谐振腔内部的放电天线由石英罩密封真空,不直接与等离子体接触。这一独特设计使得天线上既无电荷沉积,也不会在等离子体中引入其他杂质。由于其特殊的应用背景,我们设计了圆弧形的石英罩作为谐振腔的密封装置并将等离子体引出,大大增加了等离子体与外界电磁波的接触面积,使之更具实用性。在等离子体发生器的测量工作中,我们控制放电气压范围为1Pa至16Pa,利用氩气放电时,谐振腔中心区域产生的等离子体电子密度最高约为5 × 1012 cm-3,等离子体在谐振腔中轴向上由内向外密度逐渐减小,径向上由中心向装置边缘密度逐渐减小,在该气压范围内的等离子体电子温度约为0.8 eV至3.5 eV。使用氙气作为放电物质时,在特殊功率和气压条件下可以产生空间分布更均匀、电子密度更高的等离子体,例如在气压较低的1至2Pa放电时,氙等离子体的电子密度在半径为5 cm的范围内大致相当,密度峰值可达5 × 10111c cm-3,氙等离子体发射光谱的特征谱线也远大于相同条件下氩等离子体的特征谱线。在石英罩密封的等离子体发生器内,我们在实验上测量了石英罩等离子体的参数分布和电磁波透射、反射特性,结果表明,石英罩基本不影响谐振腔内的微波耦合与等离子体产生,通过扩散效应,石英罩内的等离子体电子密度可达1011 cm-3量级。这样的高密度等离子体源对电磁波透射有明显的衰减作用,最多可将电磁波幅度衰减约20 dB;同时高密度等离子体对正面入射的电磁波也具有一定的反射衰减效果,实验中X波段的电磁波入射到等离子体后反射幅度在测量频段普遍衰减,最大平均下降值约为8 dB。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张仲恺

导师: 曹金祥,刘宇

关键词: 电感耦合等离子体,微波等离子体,等离子体诊断

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O53

总页数: 104

文件大小: 9815K

下载量: 102

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