射频

131-6射频耦合1-6-1射频耦合方式射频耦合方式:射频天线向等离子体输送能量的方式。种类：1.容性耦合（CapacitiveCoupling）（a）电场的产生（电压/静止电荷）；(b)容性耦合等离子体（CapacitivelyCoupledPlasma，CCP）(c)为什么叫容性耦合？(图8)其他命名：平板装置E放电(a)内电极(b)外电极图8射频容性耦合方式等离子体源真空室射频电源匹配箱同轴传输线石英管射频电源匹配箱同轴传输线14平板反应器：桶形反应器15六角形反应器2.感性耦合（InductiveCoupling）(a)电场的产生（电流，即运动电荷）；(b)感性耦合等离子体（InductivelyCoupledPlasma，ICP）(c)为何称感性？（图9）其他命名：桶型装置H放电（a）柱面天线（b）平面天线等离子体源真空室（绝缘耐热桶）射频感应天线射频电源匹配箱同轴传输线同轴传输线等离子体源真空室（金属桶）射频感应天线射频电源匹配箱16（c）内置天线（d）长桶型外部多匝天线图9射频感性耦合方式等离子体源真空室射频电源匹配箱同轴传输线同轴传输线等离子体源真空室（金属桶）射频电感天线射频电源匹配箱171-6-2射频耦合电场性质1容性耦合(a)同静电场，旋度为零（0eE）(b)电场方向:垂直于电极面，纵向场。（图示说明）(c)电场分布：鞘层内，等离子体中。（图示说明）2感性耦合(a)有旋电场（0hE）（图示说明）(b)电场方向:平行耦合，横向场（图示说明）(c)电场分布：无等离子体，有等离子体（图示说明）1－7射频等离子体的电子加热机制通常电子加热机制：（1）碰撞加热(说明？)；（2）非碰撞加热(说明？)（1）冷电子、无碰撞（a）直流均匀电场（无加速），（b）直流非均匀电场（鞘层中，保守力场）；(c)交流均匀电场（间谐振荡）；（d）非均匀电场（局部净能量交换为零）结论：没有碰撞，冷电子不能从电场中获得能量冷电子如何获能？？――――碰撞：（2）热电子、无碰撞（a）直流均匀电场（无加速），（b）直流非均匀电场（鞘层中，保守力场，无加速）；c)交流均匀电场（非间谐振荡，运动速度与电场方向相位差随机，电子获得能量；（d）非均匀电场（净能量交换不为零）碰撞、非碰撞加热的适用区域：（1）欧姆（碰撞）加热高气压放电，电子温度低（冷电子）（2）无碰撞（随机）电子加热18SheathPlasmaSheathrfV低气压放电，电子温度高（热电子）[问题]电子吸收能量的条件：射频电磁振荡频率低于等离子体频率，如果射频电磁振荡频率高于等离子体频率：电磁波光一样在离子体中自由地传播，能量吸收很小。1-7-1容性耦合中的电子加热1．存在欧姆加热、无碰撞加热无碰撞加热如何产生？-----电子的振荡鞘层加热(1)机理模型：三明治模型（图10）（2）电子与振荡鞘层的作用机理（a）射频电位降、鞘层厚度振荡(b)电子能响应瞬态电场（c）电子可以到达的空间位置随鞘层一起振荡(d)电子入射过程损失动能，反射过程获得能量整个过程：电子从电场中获得净动能（e）费米加速模型------小球与振荡壁的弹性碰撞（等效说明）说明：射频振荡鞘层电子加热无需二次电子与DC辉光放电比较：放电气压低，电压小+-图10容性耦合射频等离子体的鞘层-等离子体模型191-7-2感性耦合中的电子加热与CC比较：相同点：碰撞型欧姆电子加热和无碰撞加热不同点：电子加热空间区域ICP----趋肤层中CCP-----鞘层）[趋肤层]趋肤效应产生条件：等离子体频率高于入射电场频率，电磁场只能进入等离子体表层，这一表面层厚度叫做趋肤深度。无碰撞加热方式：电子在趋肤层中得到能量，快速离开，进入低电场区加热方式影响趋肤层性质：高气压，冷电子――――正常趋肤层低气压、热电子――――反常趋肤层正常趋肤深度表达式：ecn6010516.72（m）趋肤深度正比丁电子碰撞频率的平方根，反比于电子密度和激励频率的平方根。理解：趋肤深度与电子碰撞（频率）电子密度，窗口距离正常趋肤层反常趋肤层电场强度201-8射频等离子体特性1-8-1容性耦合射频等离子体性质1．射频电场为什么可以通过绝缘介质连续放电？（a）直流放电电压分配（电容分压）放电动态分析-----电荷积累（b）交流放电放电动态分析------电荷中和连续放电条件：（1）afterglow足够长（相对电压周期而言）（2）电荷中和足够快--------电压频率足够高射频：足够高2．射频自偏压形成原因：（1）电极绝缘→悬浮→没有直流电流→一个周期内电子、离子流强必须相等（2）电子的速度远大于离子（3）等离子体维持电中性维持等离子体电中性的途径：图11电极覆盖绝缘介质时的容性耦合放电放电间隙的电压变化cViV0gV绝缘层电极电压熄灭21LC1C2隔直电容L1C2C隔直电容降低电子流向电极的电流密度→降低电极正电压的维持时间→电压波形下移→平均直流电压[问题]射频放电一定可以得到自偏压？――――――[隔直电容的作用]――――――L型匹配网络中：匹配电容兼做隔直电容在型匹配网络中，需要另加隔直电容。（a）L型匹配网络22LC1C3隔直电容C2L1C1C3C隔直电容2CA23．不同电极鞘层电位降的关系a）驱动直流接地；b）驱动极悬浮悬浮时两鞘层电位降的关系：（？）鞘层电压降面积比模型（假定通过两电极的电流相等）111111ieVenAJAI（b）型匹配网络图13射频匹配网络（a）直流接地（b）直流悬浮图14容性耦合射频鞘层、等离子体内的空间电位分布A2A1隔直电容A123222222ieVenAJAI被加速后的离子速度：iimeVV2假定两电极鞘层边缘处：21nn且21II即：222111ieieVenAVenA可得：21221AAVV1221AAVVpVV2，bpVVV1此即鞘层电压降的电极“面积比”模型。