超高频波驱动的大面积平面表面波等离子体源的研究

摘要

随着等离子体科学研究的不断深化、发展，等离子体技术被应用于非常广泛的领域，特别是在集成电路制造、材料处理等方面，等离子体技术具有特别的优势，是不可或缺的。而等离子体源的研究是推动等离子体技术应用发展的关键因素。近年来，随着大面积等离子体处理如大规模集成电路的加工、太阳能电池材料以及大规模平板显示等应用需要的增加，开发能够产生大面积、高密度均匀等离子体的等离子体源就成为该领域的研究重点。表面波等离子体源相比较其他类型的源，能够很好的满足等离子体处理所需要的高密度、空间均匀及高活性化的特点。但是尽管目前平面结构的主流表面波等离子体源能够产生相当的等离子体面积，但是对于未来的大面积光电池板、大面积显示屏等产业应用所需要的米量级的等离子体还显力不从心。
　　本文的主要工作就是基于平面表面波等离子体源的工作原理，开发了一套新型大面积平面表面波等离子体发生装置，同时搭建了相应的探针诊断系统用于对该等离子体源产生的等离子体进行诊断。具体创新性内容如下:
　　(1)使用915MHz超高频电磁波代替传统表面波等离子体使用的2.45GHz微波，解决了放电面积大型化在波导结构上的制约，并且能以较低的电子密度维持纯表面波模式，在增大放电面积的同时使能耗有所降低;
　　(2)在传统的狭缝天线理论基础上，开发了新型的圆柱形谐振腔结构，从而使大面积表面波放电在工程结构上得以实现。在等离子体放电实验中，通过对等离子体参数的诊断，验证了表面波激发等离子体的稳定性，之后通过一系列的优化设计，使高密度均匀等离子体能够达到约60cm直径。
　　(3)验证了等离子体源的性能后，使用氩气、氨气混合等离子体进行了大面积的等离子体表面修饰改性实验，成功的在高聚物表面修饰了氨基，并且在处理的均匀性上，与之前的诊断结果相吻合。
　　(4)通过使用三维时域有限差分方法对谐振腔内电磁场模式进行了数值计算，根据结果对谐振腔结构进行了进一步的优化，在等离子体均匀性维持不变的情况下，大大提高了等离子体电子密度，即更好的能量耦合效率。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 高密度等离子体的生成

1．2．1 射频等离子体

1．2．2 微波等离子体

1．2．3 表面波等离子体的优势

1．3 表面波等离子体源研究的进展

1．4 本论文的内容及创新点

参考文献

2 表面波等离子体原理分析

2．1 重要的等离子体物理参数

2．1．1 基本参数

2．1．2 等离子体频率

2．1．3 电导率

2．1．4 等效介电常数

2．1．5 趋肤深度

2．2 表面等离子体激元理论

2．2．1 模型及色散关系

2．2．2 空间延展特性

2．2．3 趋肤深度

2．3 平面表面波等离子体装置的设计

2．3．1 设备结构

2．3．2 狭缝开槽天线的设计

2．3．3 典型的等离子体参数

2．4 更换激励源的优势

2．4．1 波导面积的增大

2．4．2 临界等离子体密度的降低

2．4．3 工程上的困难

2．5 本章小结

参考文献

3 大面积表面波等离子体源

3．1 表面波等离子体设备

3．1．1 整体结构

3．1．2 微波系统

3．1．3 开槽天线及柱状谐振腔结构

3．1．4 操作步骤

3．2 静电探针诊断系统

3．2．1 探针系统

3．2．2 控制与数据采集系统

3．2．3 基于探针理论的数据处理

3．3 本章小结

参考文献

4 大面积表面波等离子体实验

4．1 表面波等离子体参数诊断

4．1．1 等离子体放电实验

4．1．2 等离子体沿r方向的分布

4．1．3 等离子体沿z轴方向的分布

4．1．4 等离子体沿圆周方向的均匀性

4．2 等离子体均匀性的改善

4．2．1 增加石英窗口

4．2．2 关闭中心窗口

4．2．3 三种开孔天线性能的比较

4．3 大面积等离子体表面改性实验

4．3．1 等离子体表面修饰与改性

4．3．2 大面积Ar／NH3混合等离子体的制备

4．3．3 样品的制备和检测方法

4．3．4 实验结果和讨论

4．4 本章小结

参考文献

5 基于三维时域有限差分模拟对谐振腔天线的优化

5．1 三维时域有限差分法

5．1．1 基本原理

5．1．2 参数设定

5．1．3 模型的建立及计算流程

5．2 模拟结果及讨论

5．2．1 计算结果及讨论

5．2．2 新型开孔天线的设计

5．3 等离子体放电性能的优化

5．3．1 天线改进后的等离子体放电实验

5．3．2 等离子体参数的变化

5．3．3 低气压等离子体放电参数

5．4 本章小结

参考文献

6 全文总结和展望

6．1 本文的主要工作

6．2 本论文工作的创新点

6．3 论文中的不足和将来的工作

在学期间发表论文

致谢

声明