磁镜场约束线形微波等离子体源的高密度特性研究

Combining theoretical and experimental research methods, this project is to investigate the linear microwave plasma with magnetic mirror field confinement, and to advance the superior density, large-area homogeneous plasma source technology to a new level. Utilizing diagnostic tools including the Langmuir probe, the optical emission spectrum, Faraday cup etc, the spatial distribution characteristics of the plasma parameters including plasma density, electron temperature, electric potential, ion energy etc, is to be investigated in the linear microwave plasma with magnetic mirror confinement. The effect of discharge parameters, intensity and distribution of the magnetic field, and working gas flow status on the electron density and its spatial distribution of plasmas is to be studied. Combining with the magnetohydrodynamic model, the interaction mechanism among magnetic field, plasma, microwave, and flow status will be theoretically analysed, and the internal physical mechanisms influencing the plasma density will be explored. Through the investigation of this project, the characteristics of the linear microwave plasma with magnetic mirror confinement will be revealed; the pivotal physical parameters and internal mechanisms influencing the characteristics of the high density linear microwave plasma will be clarified; the production conditions and optimization methods for realizing the superior high density linear microwave plasma with magnetic mirror confinement will be radicated. The fundamental basis for realizing high density, large area, axial-homogeneous and steady plasma source and its application will be established.

随着等离子体增强化学气相沉积技术在各领域应用的迅速发展，高密度、大面积均匀稳定等离子体源成为近年来亟待解决的关键问题和研究焦点。本项目拟以磁镜场约束线形微波等离子体为研究对象，采用理论与实验相结合的研究方法，试图将高密度、大面积均匀等离子体源技术提高到新水平。利用Langmuir探针、发射光谱、法拉第筒等诊断工具，研究磁镜场约束线形微波等离子体密度、电子温度、空间电位、离子能量等参数空间分布特性；研究放电条件、磁场、流场等对等离子体密度的影响；结合磁流体动力学模型理论分析磁场、微波、流场、等离子体相互作用机理；探索影响等离子体密度及轴向均匀性的内在机理。通过本项目的研究，明晰磁镜场约束线形微波等离子体的特性；阐明影响线形微波等离子体密度的内部物理机制；建立高密度、均匀稳定磁镜场约束线形微波等离子体的产生条件和优化方法，为实现高密度、大面积均匀稳定等离子体源及其应用提供思路。

微波线形等离子体仅需要在一维方向实现均匀，通过Roll-to-Roll结构或多线形等离子体排列的形式产生二维均匀面等离子体，降低了大面积等离子体源的开发难度。本项目以磁场增强微波线形等离子体为研究对象，采用理论与实验相结合的方法，探索了微波激励线形等离子体的产生机理，研究了低温等离子体在磁场作用下的特性。研究发现：（1）微波激励线形等离子体在较高功率、较高气压下更容易得到一维均匀的等离子体密度分布；（2）在SiO2、SiC、Al2O3三种介质管中，介电常数低的SiO2更容易产生一维均匀的等离子体密度分布；（3）在外部施加径向磁场时，较高的磁场强度可以在边缘获得较高的等离子体密度，但极大的降低了等离子体密度的均匀性；（4）双源微波激励利于获得均匀的等离子体密度分布；（5）理论分析结果表明，微波线形等离子体可以在毫秒量级达到稳定，即微波脉冲调制的脉宽可以低至1毫秒而较小影响等离子体密度分布，这将降低因连续微波激励导致的工作气体温度过高等缺点；（6）工作气体吸收微波产生等离子体，等离子体因其金属性质而使微波沿其表面传播，等离子体密度及其分布主要依赖于微波在等离子体介质表面的吸收与传播的耦合作用。.通过本项目的研究，明晰了微波线形等离子体的产生机理，基本掌握了高密度微波等离子体的产生条件和优化方法，为实现高密度、大面积均匀稳定等离子体源及其应用提供重要参考。项目执行期间，项目组发表学术论文5篇，申请国家专利5项，培养研究生两名。