13.56 MHz 低频功率对60 MHz射频容性耦合等离子体的电特性的影响

使用补偿朗缪尔探针诊断技术,研究了60MHz/13.56MHz双频激发容性耦合等离子体的空间电子行为,得到了电子能量概率函数(EEPF)随径向位置和低频输入功率的演变行为. 实验结果表明,13.56MHz射频输入功率的变化主要影响低能电子的布居,其影响随气压升高而加大. 在等离子体放电中心以外,EEPF呈现出双峰分布的特性,同时发现从放电中心到极板边缘,次能峰有逐渐向高能区漂移的现象,次能峰的出现显示了中能电子的增强的加热效应. 通过EEPF方法,计算了等离子体的电子温度、电子密度. 讨论了等离子体中的电 关键词： 双频激发容性耦合等离子体 朗缪尔探针诊断 电子加热模式     

甚高频激发容性耦合氩等离子体的电子能量分布函数的演变

甚高频激发的容性耦合等离子体由于离子通量和能量的相对独立可控而受到人们的关注. 本文采用朗缪尔探针诊断技术测量了40.68 MHz激发的容性耦合Ar等离子体的特性(如电子能量概率分布、电子温度和密度等)随宏观参量的演变情况. 实验结果表明, 电子能量概率分布随着气压的增加从双麦克斯韦分布逐步转变为单麦克斯韦分布并最终演变为Druyvesteyn分布, 而射频激发功率的增加促进了低能电子布居数的增强; 在从等离子体放电中心移向边界的过程中, 低能电子的布居数显著下降, 而高能电子的布居则有所上升; 放电极板间距的变化直接导致了等离子体中电子加热模式的转变. 另外, 我们也对等离子体中的高低能电子密度和温度的分配情况进行了讨论.     

射频容性耦合Ar/O_2等离子体的轴向诊断

实验通过朗缪尔探针辅助激光诱导解离技术对27.12 MHz驱动的不同含氧量条件下容性耦合Ar等离子体进行了诊断研究.通过质量流量计改变通入Ar与O_2的流量以得到不同含氧量的等离子体.结果表明,由于氧气的分解吸附反应需要消耗电子,致使朗缪尔探针测得的电子能量概率函数(EEPF)的中能部分随着含氧量的上升而下降.射频输入功率增加时电子密度的上升引起了电子-电子碰撞热化,从而使EEPF由Druyvesteyn分布向麦克斯韦分布转变.在功率电极附近,由于鞘层边界附近的电子氧气分子碰撞时的分解吸附反应使得鞘层区附近的负离子密度较高.另外,负离子密度沿着轴向呈现勺型分布的特征.这主要是由于负离子在双极电场作用下向等离子体放电中心扩散的过程中所存在的负离子产生与损失的反应过程导致.     

射频容性耦合等离子体放电特性的光谱诊断

利用流体模型模拟和发射光谱实验诊断相结合的方法,研究了中等气压、中等功率下射频容性耦合等离子体的放电特性。理论上,采用基于流体模型的COMSOL软件仿真,建立一维等离子体放电模型,以Ar气为工作气体,研究了不同气压以及不同射频输入功率下等离子体电子温度和电子密度的分布规律。实验上,依据仿真模型设计制作了相同尺寸的密闭玻璃腔体和平板电极,采用13.56 MHz射频放电技术电离腔体内的工作气体Ar气,测量了不同气压、不同射频输入功率时放电等离子体的发射光谱。通过分析和选择适当的Ar Ⅰ和Ar Ⅱ的特征谱线,分别利用玻尔兹曼斜率法以及沙哈-玻尔兹曼方程计算了等离子体的电子温度与电子密度,并结合模拟仿真结果对光谱诊断结果进行了修正。结果表明：当气体压强为300~400 Pa、输入功率为600~800 W时,等离子体近似服从玻尔兹曼分布,此时利用光谱法得到的等离子体参数与仿真结果相符合。仿真模拟与光谱实验诊断相结合的方法可初步诊断出中等气压下等离子体的放电参数,增加了玻尔兹曼斜率法和沙哈-玻尔兹曼方程在等离子体放电中的使用范围,扩大了光谱法在低电子密度容性耦合等离子体参数诊断的应用场合,为中等气压容性耦合等离子体在工业与军事上的应用研究提供了重要物理状态的分析手段。     

用于中性束注入的大功率射频离子源激励器研制

建立了一个等离子体射频激励器,工作气体为氢气,工作气压为0.3Pa,激励器陶瓷桶直径300mm,工作频率1MHz。实现了RF等离子体激发放电,在输入射频功率16kW条件下,采用朗缪尔探针测得的等离子体密度>10¹⁸m^-3,初步建立了一个RF等离子体源实验平台。     

甚高频激发的容性耦合Ar+O_2等离子体电负特性研究

利用探针辅助的脉冲激光诱导负离子剥离诊断技术对掺入5%O_2的容性耦合Ar等离子体电负特性进行了诊断研究.首先详细解析了脉冲激光剥离后探针的电信号,分析了探针偏压在低于或高于空间电位下的探针收集信号特征;根据探针偏压与探针收集信号之间的依赖关系,用来描述Ar+O_2等离子体电负特性的等离子体电负度被定义为脉冲激光剥离出的电子电流与偏压高于空间电位的探针收集到的背景电子电流的饱和比值,并对等离子体电负度随放电气压、射频功率以及轴向位置的变化进行了诊断测量.实验结果表明等离子体的电负度随着射频功率的增加而减小、随着放电气压的上升而变大;由于非对称电极的分布特性,在轴向方向上靠近功率电极时等离子体电负度有升高的趋势,这种趋势可能与鞘层边界附近二次电子的动力学行为以及负离子的产生与消失过程有关.     

CF4气体ICP等离子体中的双温电子特性

使用朗谬尔探针方法研究了低压CF4气体感应耦合等离子体（ICP）的放电特性.结果表明 ，CF4等离子体的电子呈现双温分布：一类是密度低、能量高的快电子，另一类是密度高 、能量低的慢电子.快电子温度The、慢电子温度Tce以及它们的平均 电子温度Te随射频输入功率的增加而下降；而它们的密度nhe，nce和ne随功率的增加而上升.从电子与气体粒子碰撞能量平衡的角度解释了双温电子特性与射频输入功率之间的关系. 关键词： 感应耦合等离子体 CF4气体 朗谬尔探针 电子温度     

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开发了氢气甚高频(60MHz)容性耦合放电的PIC/MC模型.在模型中考虑了带电粒子(e,H+,H2+,H3+)与H2的21种碰撞反应过程,模拟了氢气甚高频放电射频电场和电势分布以及电子和氢离子(H+,H2+,H3+)粒子密度和平均能量分布,并与频率为13.56MHz的放电结果进行了比较.结果表明,相对于频率13.56MHz的放电,氢气甚高频放电等离子体电势增高,导致两电极附近的电场增强;另外,两鞘层厚度变窄并且电子和H3+离子平均能量减小,其总密度却增加.H3+离子为氢气甚高频放电空间的主要离子,H2+离子密度比H3+离子小约2～3个数量级.     

等离子体增强化学气相沉积中对尘埃颗粒诊断

采用SiH4,C2H4和Ar在射频容性耦合柱状放电室中产生了尘埃颗粒,利用发射光谱测得射频尘埃等离子体放电室中的一些基本碎片的发射光谱,并给出了这些碎片的光发射强度随着实验条件变化的曲线。随着功率和气压的增加,碎片的光发射强度逐步增加,尤其是随功率增加得更快,这说明功率对硅烷和乙烯的离解作用明显。随着硅烷和乙烯流量的增加,碎片的光发射强度随之下降。利用朗缪尔探针的实验结果得出尘埃密度的变化趋势,给出了尘埃密度随射频功率变化的曲线,其结果与硅烷和乙烯的离解变化趋势基本吻合。     

电负性气体的掺入对容性耦合Ar等离子体的影响

本文利用朗缪尔静电探针对掺入了电负性气体O₂, Cl₂, SF₆的由4068 MHz激发的单射频容性耦合Ar等离子体进行了诊断测量. 测量结果表明: 随着电负性气体流量的增加, 电子能量概率分布函数出现了高能峰, 高能峰且有向高能侧漂移的现象; 电负性气体掺入Ar等离子体后显著降低了等离子体的电子密度; 电子温度随着电负性气体流量比的增加而升高. 另外, 本文还测量了掺入三种电负性气体后在不同流量比下的混合气体等离子体的电负度α . 对实验现象进行了初步的解释. 关键词： 电负性等离子体 电子密度 电子温度 电负度     

Plasma characteristics and broadband electromagnetic wave absorption in argon and helium capacitively coupled plasma

A one-dimensional self-consistent calculation model of capacitively coupled plasma(CCP) discharge and electromagnetic wave propagation is developed to solve the plasma characteristics and electromagnetic wave transmission attenuation.Numerical simulation results show that the peak electron number density of argon is about 12 times higher than that of helium, and that the electron number density increases with the augment of pressure, radio frequency(RF) power, and RF frequency. However, the electron number density first increases and then decreases as the discharge gap increases. The transmission attenuation of electromagnetic wave in argon discharge plasma is 8.5-d B higher than that of helium. At the same time, the transmission attenuation increases with the augment of the RF power and RF frequency, but it does not increase or decrease monotonically with the increase of gas pressure and discharge gap. The electromagnetic wave absorption frequency band of the argon discharge plasma under the optimal parameters in this paper can reach the Ku band. It is concluded that the argon CCP discharge under the optimal discharge parameters has great potential applications in plasma stealth.     

脉冲射频容性耦合氩等离子体的发射探针诊断

利用工作在浮点模式下的发射探针,对500 Hz脉冲调制的27.12 MHz容性耦合氩气等离子体的空间电位和电子温度的时变特性进行了诊断.等离子体空间电位是通过测量强热状态下的发射探针电位获得的,而电子温度则是由发射探针在冷、热状态下的电位差来估算得到.测量结果表明:脉冲开启时,空间电位会快速上升并在300μs内趋于饱和;当脉冲关断后,空间电位经历了快速下降后趋于稳定的过程.电子温度在脉冲开启时存在过冲并趋于稳定的特征;而在脉冲关断期间,电子温度在300μs内则快速下降到0.45 e V后略有上升.无论在脉冲开启或关断期间,空间电位基本上都随功率和气压的变化存在有线性的依赖关系;而放电功率对脉冲开启期间过冲电子温度与稳态电子温度差异的影响较大.针对空间电位和电子温度在各阶段及不同放电条件下的时变特性,给出了相应的解释.     

悬浮型微波共振探针在电负性容性耦合等离子体中电子密度的测量

本文首先利用悬浮型微波共振探针测量了Ar等离子体的电子密度,并与朗缪尔双探针的测量结果进行了比较,表明了微波共振探针在低密度等离子体测量的可行性.对40.68 MHz单射频容性耦合Ar/SF₆和SF₆/O₂等离子体的测量结果表明:电负性气体SF₆掺入Ar等离子体显著降低了等离子体电子密度,但随着增加SF₆的流量,电子密度表现为缓慢下降;而O₂掺入SF₆等离子体中,电子密度则随着O₂流量的增加表现为持续的下降.另外,40.68 MHz/13.56 MHz双频激发的SF₆/O₂容性耦合离子体的电子密度并不随低频功率的变化而变化.本文对上述的实验现象进行了初步的解释.     

容性耦合电负性氧等离子体的激光诱导光致剥离技术诊断研究

采用波长532nm的高能脉冲激光束照射40.68MHz激发的容性耦合氧等离子体,并给处于激光束中央的探针施加一定的正偏压,由此诊断氧等离子体的空间电位和电负度。实验结果表明,探针偏压从0V逐渐增加时,探针搜集的电流波形从V型向倒U型转变,转变电压点正是电负性等离子体的空间电位。尝试着给出了运用激光诱导光致剥离技术诊断电负性等离子体空间电位的经验方法。另外,探针上施加的正偏压高于等离子体空间电位时,等离子体的电负度基本保持不变。实验还表明,氧等离子体的电负度随着射频输入功率的增加而呈现下降的趋势。     

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采用波长532nm的高能脉冲激光束照射40.68MHz激发的容性耦合氧等离子体,并给处于激光束中央的探针施加一定的正偏压,由此诊断氧等离子体的空间电位和电负度.实验结果表明,探针偏压从0V逐渐增加时,探针搜集的电流波形从V型向倒U型转变,转变电压点正是电负性等离子体的空间电位.尝试着给出了运用激光诱导光致剥离技术诊断电负性等离子体空间电位的经验方法.另外,探针上施加的正偏压高于等离子体空间电位时,等离子体的电负度基本保持不变.实验还表明,氧等离子体的电负度随着射频输入功率的增加而呈现下降的趋势.     

Measurements of plasma parameters in capacitively coupled radio frequency plasma from discharge characteristics: Correlation with optical emission spectroscopy

Plasma parameters from the discharge characteristics of a 13.56 MHz capacitively coupled radio frequency Ar plasma are evaluated on the basis of homogeneous discharge model for wide range of operating pressure. The homogeneous discharge model of capacitively coupled radio frequency discharge is modified to take into account the nonlinear plasma series resonance effect. The effect of drift velocity of the electron due to change in radio frequency electric field and operating pressure is also considered. Considerable dependent of plasma parameters on the drift velocity of the electron as well as on the plasma series resonance effect are observed in low pressure. An irregular variation of calculated plasma density with operating pressure is observed, which is reconfirmed with optical emission spectroscopy.     

容性耦合射频氩等离子体放电诊断研究及仿真模拟

针对中等气压、中等功率下射频容性耦合(CCRF)等离子体的放电特性,采用基于流体模型的COMSOL软件仿真,建立一维等离子体放电模型,以Ar为工作气体,研究同一气压时不同射频输入功率下等离子体电子温度和电子密度的分布规律。同时依据仿真模型设计制作相同尺寸的密闭玻璃腔体和平板电极,实验测量了不同射频输入功率时放电等离子体的有效电流电压及发射光谱,进而计算等离子体的电子温度及电子密度;利用玻耳兹曼双线测温法,得到光谱法下等离子体的电子温度及电子密度。结果表明:当气体压强为250 Pa、输入功率为100~450 W时,等离子体电压电流呈线性关系,电子密度随功率的增大而增大,而电子温度并未随功率的变化而有明显变化,其与功率无关。运用仿真模拟验证了实验的准确性,通过比较,三种方法所得的结果相近。通过结合等效回路法、光谱法和数值模拟仿真法初步诊断出中等气压下等离子体的放电参数,提出了结合三种方法作为实验研究的方法,使实验结果更具说服力,证明其方法的可靠性,也为进一步的等离子体特性研究提供依据。