感应耦合等离子体源线圈配置对等离子体特性影响

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1、感应耦合等离子体源线圈配置对等离子体特性的影响第一章引言圈，人们提出了并联式多组线圈感应耦合等离子体源这样一种方案，德国学者研制出了一圆筒式多组线圈方式实现感应放电的等离子体源【３８】，韩国学者研制的等离子体源采用平板式多组线圈方式实现感应放电．但所获得的等离子体密度还偏低Ｉ…，因此，十分有必要弄清楚线圈的结构对于等离子体特性的影响，从而更好地对线圈进行优化设计。１．３论文的研究内容与结构本文从感应耦合等离子体源的线圈优化设计的角度出发，研究了线圈配置对等离子体特性的影响。主要考虑了线圈的电学参量及几何参量对功率耦合效率、等离子体基本参量的影响。第二章介绍

2、了实验中使用的感应耦合等离子体源的装置和各种测量方法，以及各种测量方法的工作原理。第三章首先简要地叙述了感应耦合等离子体放电原理和能量吸收机制，然后在Ｒ．Ｐｉｃｊａｋ针对一圆筒形感应耦合等离子体源提出的变压器模型的原理的基础之上，对于本实验中所使用的具有特定几何尺寸的平板型感应耦合等离子体也建立了一变压器模型。最后，使用基本电路理论分析此模型，计算出了等离子体电阻、电感等不易通过实验方法测量的等离子体电学参量随等离子体密度变化，分析了线圈与等离子体之间的功率耦合效率与线圈电学参量的关联并且计算出了在不同条件下的耦合效率。另外．在模型中合理考虑了感应耦合等离子

3、体低气压随机碰撞能量吸收机制的作用。第四章改变线圈的几何结构，测量在不同的放电条件下不同的线圈与等离子体之间的功率耦合效率；最后测量等离子体物理参量随放电条件和线圈结构的变化情况，并且对实验现象做出解释。论文的第五章对理论分析和实验得出的结论作出总结；第六章致谢。感应耦台等离子体源线圈配置对等离子体特性的影响第二章实验装置第二章实验装置对于等离子体源的研究离不开用于描述等离子体的各种参量的诊断，本章对所研究的感应耦合等离子体源装置及放电原理进行介绍，另外详细的阐述了测量放电时线圈的电学参量、等离子体基本参量及真空腔体中电磁场分布结构的方法及测量工具的结构和

4、原理。２．１感应耦合等离子体源图２．１（ａ）是本文中所使用的平板型感应耦合等离子体源的装置示意图，图（ｂ）所示是等离子体源中所使用的感应线圈的结构俯视图。如图（ａ）所示，同心平面型线圈放置在直径为３３０ｒａｍ、厚度为１９ｍｍ的石英介质窗口正上面，线圈的材质为线径６ｎｍａ的黄铜管，线圈的形状和几何尺寸如图（ｂ）所示。等离子体的放电腔体的直径为３５０ｒａｍ，高度为２５０ｒａｍ；一型号为ｋｙｋｙＦＤ－６００Ｋ的涡轮分子泵和型号为机械泵联合抽气，放置在真空室左下方，真空室本底真空可达到１０。Ｐａ。真空室的侧部共有三个窗口。分别可以用来进行朗谬尔探针的测量、发射光谱和

5、四极质谱分析。源气体由流量计控制通入真空室，水冷衬底架的表面可以维持在室温。口重受［—固—，；蛀＿Ｉ、Ⅱ＝田、～ｒＨ８二¨ｖＡ３－・、．Ｉ・●“｝息图２Ｉ（ａ）平扳型感应祸合等离子体源的装置示意图．图（ｂ）感应线圈结构不意图频率为１３．５６ＭＨｚ的射频功率源通过一“Ｌ”型匹配网络与感应线圈形成一闭合回路。打开射频功率源并预热５分钟，调节匹配电容Ｃ。和ｃｚ使得回路达到谐振的状喜一Ｌ］砬㈣感应耦台等离子体源线嘲配置对等离子体特性的影响第二章实验装置态，此时射频源的功率就最大程度传输到了线圈的两端，线圈中会有一定大小的射频电流，两端同时会产生一定幅度的电压

6、。线圈中环绕的射频电流在线圈所在的空间激发产生射频磁场，该磁场会穿过介质窗，从而真空腔体中也会有磁通。根据法拉第电磁感应定律，此射频磁通又会感应产生射频电场，射频电场会加速等离子体中的电子的运动，使之不断与中性气体分子碰撞离化，从而将感应线圈中的射频能量耦合到离化气体中并维持等离子体放电。由于线圈不可避免地存在一定的直流电阻，因此在放电过程中由于焦耳热会损耗一部分功率。整个系统中功率传输的途径可以用图２．２表示，图中定义的五个功率参量分别是：ＪＰ凶、Ｐ一、Ｐ“、Ｐ—ｎＲｂ。其中，尸＂代表射频源产生的总功率，Ｐ赢代表匹配回路中所消耗的功率；Ｐ女，代表传输到线圈

7、两端的射频功率，因此可以得出如下的关系式：‰＝％＋匕（２．１）ＪＤ新代表线圈欧姆损耗的功率，可以通过名。＝Ｌ。２霄。计算得出；只ｂ代表等离子体吸收的功率，从而又可以得出另一个关系式：￡“＝，ｋ＋圪Ⅱ｝胁”ＨＭＮｅｔｗｏｒｋＨｎＣｏｄｉｌ劬”卜一ｌⅫ｝（２．２）％ｊ—Ｉ｜、；匦一ｉ一＿－Ｐｍ。二、－｝ＰｃｏｉＪ２。；≤‰线圈两端施加有射频电压，因此线圈、介质窗、等离子体、真空室壁形成一电容耦合放电（简称ＣＣＤ，ＣａｐａｅｉｆｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＤｉｓｃｈａｒｇｅ）回路，这种寄生性的容性耦合放电在等离子体放电的不同阶段扮演着不同的角色。在放电形

8、成的初始阶段，容性耦合放电（简称Ｅ模式放电）起到了“