射频电感耦合放电模式转变与磁膨胀等离子体双层结构的实验研究

摘要

射频电感耦合放电中会同时存在两种电场分布:轴向分布的静电场和环向分布的感生电场，分别对应着容性耦合模式和感性耦合模式（E模式和H模式），且放电过程中存在模式跳变和滞回线现象，造成等离子体参数分布的不均匀和系统放电的不稳定，这严重制约着其在大面积等离子体刻蚀与沉积工业中的应用。为此，本论文着重研究影响模式跳变的制约因素和电子加热机制，同时也对磁膨胀等离子体中双层结构的产生机理和加速机制进行了详细的研究。
　　碰撞频率是影响电子加热效率的决定性因素，为此我们开展了纯氩气放电发射光谱实验，测量不同气压（碰撞频率）下转变功率与密度的变化规律。无论是E→H还是H→E，转变功率点均随着放电气压的升高而逐渐降低，并且滞回线宽度逐渐变大。转变密度却表现出不同的变化规律，从E模式向H模式跳变时，转变密度点随着工作气压缓慢的增加，而H→E密度转变点却急剧上升。采用750.4nm谱线强度与工作气压的比值来表征高能电子密度，811.5nm和750.4nm谱线强度的比值来代表亚稳态密度。研究了两种模式下电子加热机理和能量耦合效率，以及400-1000nm范围内谱线的分布变化。在两种加热模式下，高能电子密度均随着功率的增加而增加，但是变化速率却在不同气压下明显不同。表征亚稳态密度的谱线比，在E模式中随着功率的增加而增加，但在H模式中却是随着功率先增加，之后在高、低气压下均趋于稳定。E模式下高能电子密度随着功率的增加而使电子碰撞加剧，产生的中低能电子可以有效的提升亚稳态密度，所以亚稳态原子密度随着功率的增加而增加，且增加速率随着压强的上升而变大。H模式下，亚稳态密度随着气压增加而缓慢增加并逐渐减缓，且在高功率下可能出现降低。H模式中明显出现了四条新的谱线714.7nm，727.2nm，922.4nm,965.7nm。
　　放电工质组分会影响反应过程，进而改变电子加热效率。氩汞混合放电中的电子密度要远远大于纯氩气放电，且与汞蒸气的含量存在着复杂的变化关系。电子密度随着汞含量的增加会先增加再缓慢降低，当达到一个局域最小值后再逐渐增加。通过整体模型和麦氏方程组，推导出ICP放电中两种耦合效率与功率和碰撞频率的非线性关系，和实验结果相一致。混合放电中的潘宁效应反应降低了放电阈值，故纯氩气放电的模式转变功率点均低于混合放电。汞蒸汽的添加会降低等离子体的等效电子温度，改变电子与中性粒子的碰撞频率，从而改变了功率吸收关系，使得转变功率点随着汞含量的增加逐渐升高。当加热温度为30℃时出现奇异点，且随着气压的升高，滞回线宽度变宽，同时在低气压高汞含量的放电中出现了异常滞回线现象。电极位型不仅会改变放电系统的匹配阻抗，同时也会影响电子加热的局域和非局域性。当采用不同间距的电极进行放电时，转变功率点会先随着电极间距的增大而缓慢降低，之后趋于平缓变化，最终却随着间距的增大而上升，系统电抗也表现出相似的变化规律，故耦合效率会随着间距的变化存在着一个局域最大值。这主要是由于当电极间距与电子能量弛豫长度可比时，电子加热存在非局域和局域加热两种过程，在非局域加热的情况下，每个线圈可以看成一个独立的扩散源，源与源之间的电子密度存在非线性增强效应，电子密度不是两者电子密度的线性相加。传统全局模型得出的理论结果与我们的实验结果不同，主要是由于传统理论为了加入鞘层区域的随机加热而采用线性扩散，而实际扩散过程中却存在非线性相互作用。线圈匝数的变化关系却是由鞘层厚度的扩张和电子密度的非线性增强共同决定的。
　　螺旋波放电中磁场散度最大的位置会自发的形成一个”无电流”的双层结构(DL)，DL区域存在比较强的电势差，可以加速带正电的离子。我们采用激光诱导荧光诊断测定了DL结构下游(LEIA)二维离子速度分布函数(IVDF)，以及电势结构的二维分布。通过控制下游LEIA中的气压来研究DL随着气压的变化规律，电势结构和功率谱分析变化特性。在所测定的气压下均可以探测到高能离子束（表征DL结构），最大离子速度约为10km/s，且离子束最大速度与LEIA气压成反比。在靠近DL结构的下游存在两种离子组分，一种来源于DL结构的加速;另一种来源于源区势垒的约束，产生的高能电子被冻结在磁力线上，随着磁场扩散到下游区，与中性原子碰撞形成电子密度的”U”型结构。两种IVDF径向分布不一样，且高能离子密度小于背景离子密度。垂直方向上的IVDF显示，高能离子速度存在径向分量，且靠近源区的位置存在离子加速源。由于存在径向速度分量，所有高能离子分布区域会随着轴向位置的变化而扩张。计算结果显示离子束轴向速度的变化无法简单的用碰撞来解释。采用静电探针测量了磁膨胀腔中电场与DL结构下游静电波动的二维变化规律。径向分布的电场存在方向的转变，且在转变区域存在一个离子空洞区域，通过电场的散度可以确定离子空洞区域的位置。离子空洞区域随着DL结构下游气压的提升而逐渐向等离子体中心移动。功率谱分析给出了离子空洞边界区域剪切流带来的静电不稳定性，低频率下的静电波动是影响DL结构形成的重要因素。由此可知，等离子体羽端的气压可以控制DL结构推进器离子的喷射速度，进而来控制推进器的比冲。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1．1．等离子体简介

1．1．2．研究意义和目的

1．2 国内外研究现状

1．2．1．ICP电感模式E-H研究现状

1．2．2．混合放电研究现状

1．2．3．双层结构及其在空间环境和推进器方面应用研究进展

1．3 本论文主要内容

第2章 低温等离子体放电与诊断方法

2．1 低温等离子体放电源

2．1．1．直流放电

2．1．2．介质阻挡放电

2．1．3．射频等离子体放电

2．1．4．微波放电和电子回旋共振放电

2．2 本论文所采用的诊断方法

2．2．1．微波法诊断

2．2．2．光谱法诊断

2．2．3．静电探针诊断

第3章 射频电感耦合等离子体模式转变特性的实验研究

3．1 射频电感耦合放电模式转变和滞回线效应

3．1．1．ICP模式转变的放电理论机制

3．1．2．ICP放电的功率传输

3．1．3．能量守恒方程和滞回线效应

3．2 ICP放电实验装置和诊断设备

3．2．1．实验装置

3．2．2．诊断设备

3．3 实验结果与讨论

3．3．1．电容耦合占主导地位功率点的讨论

3．3．2．电感耦合占主导地位功率点的讨论

3．3．3．E-H模式的转变密度

3．3．4．H-E模式的转变密度

3．3．5．光谱测量分析讨论

3．3．6．7 50．4nm谱线(高能电子密度)实验结果

3．3．7．8 11．5／750．4(亚稳态原子密度)实验结果

3．3．8．8 11．5nm和750．4nm谱线实验结果对比

3．3．9．模式转变前后谱线测量结果

3．4 小结

第4章 电极位型和放电介质对ICP模式转变影响的实验研究

4．1 氩气和汞蒸气混合放电

4．2 氩汞混合放电实验设计

4．3 氩汞混合放电实验结果与讨论

4．3．1．电子密度结果

4．3．2．模式转变规律

4．3．3．实验结果讨论

4．4 电子加热的非局域性

4．5 电子加热非局域性实验结果与讨论

4．5．1．电极匝数相同而间隔不同

4．5．2．转变功率与电极高度、匝数的关系

4．5．3．辅助电极放电

4．6 小结

第5章 磁膨胀等离子体中双层结构的实验研究

5．1 磁膨胀等离子体DL结构理论

5．2 实验装置和设计

5．2．1．WVU HELIX-LEIA系统

5．2．2．双层结构诊断系统

5．3 实验结果与讨论

5．3．1．IVDF分布

5．3．2．二维IDVF分布

5．3．3．电势结构分布

5．3．4．频谱分析

5．3．5．DL结构物理描述

5．4 小结

第6章 总结与展望

6．1 研究内容总结与创新点

6．1．1．ICP放电中的模式转变

6．1．2．磁膨胀等离子体双层结构

6．1．3．论文的主要创新点

6．2 未来工作展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果