微波等离子体
●微波等离子体反应器特点：
微波：为交流能量（信号），通过波导传输，每一种波导
具有一定的特征阻抗
（射频传输线理论）
等离子体的反应器：本质上是具有一定阻抗的负载。
微波等离子体工作要求：波导特征阻抗=等离子体负载
阻抗。
微波反射波能量将至最低。
●微波等离子体反应器发展：
小尺寸共振腔---->表面波长细等离子体--->大面
积（体积）表面波等离子体。
●微波等离子体反应器结构：
⊙单模谐振腔
谐振腔尺寸: λ
λ=
R,（谐振条件）
=d
阻抗匹配: 好，可以不设置附加匹配。
激励电场
单模（单一本征模）
方向：图中电场沿轴向。
状态：驻波
缺点：体积小（？）
电场不均匀-----〉等离子体空间均匀性差。
应用：放电灯，光谱分析。
⊙多模腔
谐振腔尺寸: λ
λ>>
R;（非谐振）
>>d
阻抗匹配: 差，需要附加匹配。
优点：电场较均匀-----〉等离子体空间均匀性好。
⊙表面波等离子体（surface microwave plasma,SWP）源
尺寸: λ
=
R（谐振条件），轴向尺寸没有限制阻抗匹配: 需要设置附加匹配。
激励电场
单模或多模（单一本征模）
状态：行波
优点：大体积，细长
缺点：面积小
应用：气体反应（甲烷--->乙炔），有害气体处理
侧视图
多管SWP 源
大面积/体积SWP源
两种方式：（a）顶面馈入;(b)侧面馈入
三种典型装置：（a）日本平面狭缝（顶面）耦合；
(b) 德国环状狭缝（侧面）耦合；
（c）法国改进型表面波导（侧面）耦合美国：
中国（中国科大、合肥等离子体物理所----> 德国版） 日本顶面狭缝（重点）
（1）两种加热模式
bulk heating: 整体加热 surface heating:表面加热 分界点：
电子等离子体波f f =
截止n n =
○不同加热模式下等离子体参数轴向分布
不同加热模式的电子加热机理
截止密度点(共振点)处的特性及验证
预测：
实验验证：装置
ICP 等离子体密度轴向分布
不同功率下的微波轴向分布
共振点附近的等离子体密度和电子温度
（2）不同的微波模式 无限大平面波
2/1ε=n
112
2
<-=ωωεp
p
d p εε<
等离子体相对于石英而言为光疏媒质，微波由石英窗口向等离子体传播时： （i ）反射+折射
(ii) 全反射---> 实际情况：微波在光疏媒质中指数
衰减。
(iii)当等离子体密度足够大时，
012
2<-=ωωεp
p 微波（光）传播特性不同于通常的反射、折射 出现新的行为：微波从界面起在两个介质内衰--->
即微波场强在界面最大--->表面波
有界体系中微波模式
不同微波模式下的放电图像、电场分布
[注意]照片在高气压（？）下拍摄。
[问题]随着等离子体密度的提高，不同的微波模式出现，该特性对放电有无影响？
等离子体密度随入射功率的变化。
（3）表面波吸收物理机理
假设表面波微波能量由电子碰撞吸收（欧姆加热）， 吸收功率2
2
2E p abs ω
νν+∝
2．45G 的微波放电，放电气压为10mtorr 时，01.0≈ω
ν
，
低气压时电子碰撞吸收效率很低，低气压表面微波放电应该通过其他电子加热方式放电。
-----> 无碰撞电子加热
需要满足的条件：
（a ）电子通过表面微波层的时间短于微波振动周期
即：ω
π
δ2<
th
V (？)
（b ） 表面共振层处的微波电场足够大 （c ） 电子热速度p th V V ≈
电磁波（EM ）： 真空真空
等离子体p p
p p V V V >=ε
模式转换
电子等离子体(EP): 真空等离子体p p V V << ---- >电子热速度p th V V ≈---- >朗道阻尼
德国环状狭缝耦合（侧面耦合）；
(a)实物照片
(b)微波电场分布示意图(m=5)
(c)微波模式： m=0不存在----->GHzcm
.
fR2
实验结果：m=3 slot数量：2个。
f=2.45GHz,R=4cm fR=12.5GHzcm
m=5 slot数量：10个。
f=2.45GHz,R=8cm fR=20GHzcm
m=15 slot数量：30个。
f=2.45GHz,R=33cm fR=80GHzcm
(d)放电照片
slot数量：10个f=2.45GHz,R=8cm m=5
(e)等离子体密度空间分布
轴向分布
（f）临界击穿放电功率磁场，装置尺寸，气压，
法国表面波等离子体源大源
小源
（a）电场角向分布(m=3)（小源）
（b）放电模式跳跃
理论
实验 （大源）
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
0.00.20.4
0.6
(a)
P inc1
P inc2
mode1 mode2 mode3
10
9
8
7
6
5
43
2
1
P r e f (k W )
P in (kW)
美国：（Michigan University）
中国表面波等离子体源（德国版） (a) 合肥等离子体所
装置示意图
微波模式随气压的变化 m=8（660Pa）--->m=16(1000Pa)
装置及不同微波模式放电照片
(b)中国科技大学装置示意图
密度径向分布
产生区
下游区
微波模式
P0=10Pa, m=4, P0=230Pa,m=6
大面积SWP的特点：
（1）多种模式共存（？）
（2）放电出现跳跃
（3）有两种电子加热模式（不等同微波模式）
优点：SWP的优点：无溅射污染（？）
无磁场，结构简单（相对而言）
缺点：存在模式跳跃，放电不稳定，无法自动匹配
放电角向均匀性差
一种大面积均匀的等离子体源。