电感耦合放电的模式转换与等离子体密度均匀性的实验研究

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1、中圈料孽敢求大誊博士学位论文万方数据电感耦合放电的模式转换与等离子体密度均匀性的实验研究作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：杜寅昌等离子体物理曹金祥教授二零一四年五月万方数据UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctordegreeTheexperimentstudyofmodetransitionofICPandimprovingthehomogeneitybyusingtheauxiliarydischargeAuthor：YinchangDuSpeciality：

2、ModernPhysicsDepartmentSu

3、3upervlsor：：FinishedTilinlshed1lme：：Prof．JinxiangCaoMay72014万方数据电感耦否放电的模式转换与等离子体密度均匀性的实验研究近代物理系杜寅昌中国科学技末大学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。除已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：签字日期：中国科学技术大

4、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。公开保密——年作者签名：丝复星导师签名签字日期：签字日期：翟!竺：正!垂万方数据摘要电感耦合等离子体(ICP)放电的过程中会经历两种放电模式，分别是

5、容性耦合放电(E模)和感性耦合放电(H模)。由于等离子体中的非线性效应，导致激发H模和维持H模放电所需放电功率不同，H—E模式转换时的功率和线圈电流要低于发生E-H转换所需的阈值功率和电流，这可以在实验中观察到E-H模相互转换的回线现象。我tf]N用ICP放电在夹层真空室内产生等离子体，并通过微波相位法和发射光谱强度的方法，观察ICP放电的模式转换现象。实验过程中，我们共设计了两套不同的放电系统。第一套放电系统的本底真空较高，放电气压从50Pa变化到200Pa过程中，E模向H模转变的转变功率从1000W变化到700W，随着模式转变的发生，等离子体的

6、发光强度也显著增强。电子密度和等离子体发光强度随着功率的上升和下降都有明显的回线现象。为了降低本底气压和提高放电参数，我们设计了第二套夹层外形真空室，本底真空可以降低到0．3Pa。随着本底真空的降低，相同气压下E模向H模转换的阈值功率也显著降低。放电气压从6Pa变化到100Pa，E模向H模转变的转变功率从300W变化到550W。放电的回线现象也随着气压的升高，更加明显的显现出来。微波相位法的测量结果表明，在放电经历了E—H模式转变后，等离子体电子密度显著提高；回线现象在气压高于6Pa时比较清晰。实验过程中，我们又尝试采用凹腔式放电电极，来提高夹层顶

7、部的等离子体密度，其最高密度可以达到1．33×1011cm～，对应的放电条件为气压25Pa、输入功率800W。由于几何结构的不对称和边缘效应，大多数CCP放电装置中等离子体电子密度，电势等参数分布通常是不均匀的。实验中，我们的接地电极和驱动电．极所组成的放电系统，同样也会产生不均匀的电子密度分布。该放电电极产生的等离子体密度中心低边缘高。为了在放电区间得到均匀的电子密度，我们在电子密度较低的中心区域放置了一对间隔5cm的辅助放电电极，利用直流电源万方数据摘要驱动产生辅助放电。实验结果表明，该方法可以有效的提高中心区域的等离子体密度，且这种提高等离子

8、体密度的方法与放电气压有关。从放电区间电子密度的积分均匀性参数可以看出，在较低的放电气压下，辅助放电并不能有效的提高电子密度；随着气压的升高，辅助放电明显可以提升放电区域的电子密度，从而大大改善了中心区域电子密度的均匀性。加入辅助放电电极相当于引入了器壁边界，由于电子在边界上的扩散损失导致了较低的放电气压下中心区域等离子体密度的下降，并且提高了均匀性参数。在40W输入功率80Pa气压下，积分均匀性参数在辅助放电前后从0．8变化到0．2，放电空间均匀性显著提高。我们利用有限元模拟软件ComsolMultiphysics对辅助放电的过程进行模拟。模拟的

9、结果显示，在没有辅助放电的情况下，等离子体密度分布很不均匀，电子主要集中在框架结构的驱动电极的下方。随着辅助放电的加载，在