双频激励低气压柱状电感耦合放电等离子体的机理研究

Radio frequency (RF) discharge plasma is always an important direction in plasma study, and at present the main progress trendency for RF plasma is to produce high density plasma which with good uniformity in a big discharge space. However, high plasma density and good uniformity are usually incompatible. With high plasma density, then the uniformity in a big discharge space cannot be guaranteed; When the uniformity has been ensured, the plasma density usually cannot be high. In the project, we will use dual RF columnar inductively coupled plasma technology to try to overcome the above-mentioned problem: the high frequency RF discharge provides ignition and preionization for the low frequency RF discharge, then the low frequncy discharge is easy to be produced and high density plasma is easy to be obtained. When the weak skin effect for low frequncy RF discharge has been taken into consideration, the contrariety between high plasma density and good space distribution uniformity in columnar inductively coupled plasma can maybe been resolved. We will mainly study the load characteristic and power coupling, mode transition and hysteresis, and skin effect for dual frequency drived RF discharge plasma in the project. The characteristics and some new phenomena about the dual frequncy drived RF discharge will be realized deeply and the physical mechanism will be discussed.

射频放电等离子体技术一直是等离子体研究领域的一个非常重要的研究方向，目前的主要发展方向是大面积均匀与高密度等离子体，但通常情况下，这两个要求是相互矛盾的：高密度下难以达到大面积均匀，而大面积均匀下难以实现高密度。本项目采用双射频柱状电感耦合方式，以高频放电为低频放电提供点火与预电离，这样低频放电更容易产生，也更容易获得高的等离子体密度，再结合低频放电的低趋肤效应特性，有可能实现高密度等离子体下的大面积均匀分布。项目重点研究双射频驱动下放电等离子体的负载特性与功率耦合、模式跳变与回滞、放电等离子体的趋肤效应，深入了解其中的特点以及可能出现的一些新现象与新问题，并探讨其中的物理机理。

感应耦合等离子体源（ICP）装置结构简单且能在较低气压下产生高密度等离子体，已经得到了广泛应用。本项目针对双频（DF）驱动ICP源研究其物理特性及双频放电协同作用机理。主要研究内容包括：（1）研究直流（DC）、射频（RF）混合放电的等离子体特性；（2）对比高频（HF）、低频（LF）放电即13.56/2 MHz ICP放电特性；（3）研究双频驱动ICP的物理特性及协同放电机理；通过项目研究，取得以下研究成果：（1）自主设计研制了一台DF ICP放电装置、一套RF与DC混合放电装置及一套全悬浮Langmuir双探针。（2）采用DC RF混合放电，通过增加DC功率可以使RF放电等离子体密度非线性提高。发现当电子的运动满足局域动力学时，通过施加DC功率可以有效地调控等离子体密度的空间分布，提高等离子体均匀性。（3）采用单频ICP放电，发现LF ICP均匀性较好。发现电子加热效率与气压密切相关，研究中2 MHz ICP 在0.4 Pa下电子加热效率最高。（4）采用双频驱动ICP放电，发现通过改变HF、LF输入功率可以调控DF ICP等离子体参数.固定HF功率，随着LF功率的增加，电子密度增加，电子温度降低，等离子体悬浮电势降低。发现通过调节高低频功率的配比可以改善等离子体密度空间分布均匀性。发现通过调节高低频功率的配比可以调控DF ICP电子能量分布，随着高频功率的增加，高能电子布局数增加，低能电子布局数减小。随着低频功率的增加，低能电子布局数增加，高能电子布局数减小。