微波等离子体【参考】.doc

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: （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。 ⊙多模腔 谐振腔尺寸: （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: （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 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： ○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 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， 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 2．45G的微波放电，放电气压为10mtorr时，， 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： 电子通过表面微波层的时间短于微波振动周期 即： (？) 表面共振层处的微波电场足够大 电子热速度 电磁波（EM）： 模式转换 电子等离子体(EP): ---- 电子热速度---- 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-----. 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=2.45