射频电感耦合等离子体及模式转变的实验研究

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1、中圈计誊敢求大李博士学位论文万方数据射频电感耦合等离子体及模式转变的实验研究作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：汪建等离子体物理曹金祥教授二。一四年十一月万方数据UniversityofScienceandTechnologyofChinaADissertationforDoctor’SDegreeExperimentaIStudyofRadi05tudyOfadIFrequencyInductivelyCoupledPlasmaandModeTransitionAuthor’SName：Speciality：Supervisor

2、：Finishedtime：JianWangPlasmaPhysicsProf．JinxiangCaoNovember,2014万方数据中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除己特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名：让中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关

3、规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。扩保密——年作者签名：签字日期：型!』!。猊导师签名签字日期：型!坚：!三：刍≥万方数据摘要等离子体是物质存在的第四态，广泛存在于宇宙和人类的日常生活中。近年来，低温等离子体在物理、化学、微电子、材料科学、能源、国防军工等领域得到了广泛的运用。低温等离子体存在多种

4、产生方式，有电感耦合等离子体、电容耦合等离子体、辉光放电等离子体、介质阻挡放电等离子体等。相对于其他方式而言，电感耦合等离子体(ICP)有着其独特的优势，比如相对较高的等离子体密度(1011一1012cmo)，较小的离子通量，以及可控的离子能量等等。因此，它被广泛运用于等离子体辅助化学合成、薄膜沉积、表面改性、晶体生长、刻蚀等半导体和显示器工艺上。而工业应用上的等离子体需要等离子体可控并且稳定，这对等离子体的产生与维持提出了更高的要求，而电感耦合等离子体在产生机理及维持环境上依旧有很多问题悬而未决。基于此，本文开展了电感耦合等离子体的

5、研究工作。随着射频输入功率的不断增加，电感耦合等离子体在放电中存在两种工作模式：即低输入功率(或小线圈电流)下的容性耦合模式(E模)和高输入功率(或大线圈电流)下的感性耦合模式(H模)。随着输入功率开始馈入到等离子体，等离子体被激励产生并开始工作在E模状态，此时整个放电主要是由线圈两端的电势差产生的轴向电场来维持。随着输入功率不断增加直至超过一定的阈值，等离子体工作状态会突然跳变进入H模，这时放电主要由法拉第效应产生的环向电场来维持。随着输入功率不断降下来，放电又会回到E模状态，而HoE的转变功率一般会低于E斗H的转变功率，从而呈现出

6、滞回线的现象。ICP放电中的这种EHH模式转变和滞回现象主要是由于等离子体吸收功率和耗散功率的非线性导致的。我们设计了一个圆柱形夹层腔电感耦合等离子体发生装置，并利用微波相位法获得了腔内的等离子体电子密度。通过控制输入功率和工作气压，在实验上成功观测到了ICP放电过程中的EHH模式转变现象，重点研究了E_H以及H—E模式转变点(包括转变密度和转变功率)随着工作气压的变化规律。实万方数据摘要验结果表明：(1)在低气压下(∥《“J)，EoH转变密度几乎不变；高气压下(∥》∽)，转变密度随着气压增加而不断增大。E_H转变功率在低气压下随着气

7、压增大而不断减小，在高气压下随着气压增大而增大，在矿=叫f氩气压4Pa左右)时达到最低。(2)对于HoE转变点来说，低气压下，H_÷E转变密度几乎保持不变；高气压下，HoE转变密度随着气压增加而增大。在转变密度上，H斗E与E_H的变化趋势是一致的。但HjE转变功率几乎随着气压不断下降，仅仅在气压高于40Pa左右时才略有提高。此外，我们在实验中还观测到工作气压较低时，放电无滞回现象，只有当气压高于8Pa左右时，滞回线才会比较明显，并且随着气压进一步升高，滞回线宽度不断增加。此外，我们还研究了线圈半径的大小对模式转变点的影响。经过实验对比

8、观察到，在相同的工作气压下，采用圆柱型外电极放电时，其转变密度和转变功率均明显提高。我们建立了一个圆柱型ICP模型，从加热方式上分析了这一结果：采用圆柱型外电极放电时，其线圈半径较大导致与放电腔体的接触面积增大，即增加了