螺旋波等离子体特性及与材料相互作用基础研究

等离子体与材料表面的复杂相互作用，可同时改变两者的状态而直接影响等离子体的应用，并成为等离子体科学技术领域的研究热点。本项目选用具有明确应用目标的高密度螺旋波等离子体(HWP)放电，本着等离子体产生、等离子体在线诊断，材料表面表征相结合的原则，研究HWP产生机理、约束方法及与材料（半导体材料、Tokamak壁材料）表面相互作用；分别采用探针、光谱、质谱等实验诊断手段，通过不同天线形状、不同磁场、不同电源的频率及功率的调节，研究对等离子体参数（等离子体密度、电子温度等）、化学活性粒子种类、以及入射到材料表面上离子能量和角度分布的影响；探求等离子体基元的种类、分布与材料表面相互作用过程、结构和性质的关联；建立螺旋波等离子体与材料表面相互作用的物理模型。揭示等离子体与材料表面相互作用的机理和规律，为具有自主知识产权的HWP半导体刻蚀设备的优化和HWP壁处理工艺的参数优化提供有价值的科学依据。

等离子体与材料表面的复杂相互作用，可同时改变两者的状态而直接影响等离子体的应用，并成为等离子体科学技术领域的研究热点。本项目主要依托苏州大学强磁场螺旋波实验装置（HMHX）产生高密度螺旋波等离子体(HWP)放电，间或采用其他模式放电，比如ICP、CCP及双频放电等，开展等离子体与材料相互作用研究。取得如下研究进展：.1）在13.56MHz和60MHz射频频率激励下，获得HWP放电。通过强磁场直流线圈和线圈水冷系统研制，实现强磁场；通过射频功率传输系统和匹配网路的重新设计，实现（0）反射功率的最佳匹配；通过不同结构、尺寸、材料种类的射频天线设计和放电研究，利用自行研制的内置螺旋波天线，抑制寄生CCP放电，获得稳定的HWP放电。.2）系统开展等离子体放电诊断研究。利用探针、光谱、CCD相机、EQP等，分别对ICP及HWP模式下的放电进行系统诊断，研究不同工作参数下等离子体放电参数特性和实验规律，实现高参数螺旋波放电，其相关等离子体参数为，电子密度ne~1020/m3、电子温度Te~6-7eV、离子温度Ti~80eV、中性气体温度~1000℃、离子通量Фi~8×1023/m2s1。.3）开展等离子体微纳材料处理研究。利用不同方式、模式等离子体处理Si、GaAs表面，低温下形成高质量微纳锥形结构；刻蚀SiC形成石墨烯；处理ITO、AZO和Hf基薄膜表面和界面改善其光电性能等，并建立模型分析活性气体分布、种类、能量、通量等与材料处理效果关联。利用稳态的高通量氮HWP，在低温短时间内（5min）一步合成SiON薄膜，材料表征和等离子体诊断研究表明，样品中N含量与N离子的密度和通量有关，而薄膜厚度与气体温度有关，材料表面的形貌与薄膜的厚度及离子能量有关。.4）开展螺旋波等离子体壁处理研究。在ICP和HWP放电模式下对取自于EAST内壁的未清洗的石墨瓦进行清洗处理，结果表明对于经过HWP处理的样品，其表面更加致密紧实，平均尺寸更小，几乎没有颗粒状杂质吸附。利用N2-HWP对钨靶进行注氮预处理后，利用Ar-HWP对含氮钨靶进行清洗，仅需45分钟就能完成。通过EQP实时监测各种气体分压，利用粒子平衡法计算Ar-HWP对氮的清洗效率，表明清除率高于EAST常规清洗对氘清除率的10-100倍。实验上首次验证了HWP高的壁清洗效率，为将来更进一步深入研究螺旋波壁处理提供参考。