（电磁场与微波技术专业论文）小功率微波等离子体的研究.pdf

11|，jj1l t h e s i sf o rm a s t e rd e g r e eo fs c i e n c e e a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y u n i v i d ：l0 2 6 9 s t u d e n ti d ：5 1 0 7 1 2 0 2 0 6 0 r e s e a r c ho nl o w - - p o w e rm i c r o w a v ep l a s m a d e p a r t m e n t ： m a j o r ： r e s e a r c hd i r e c t i o n ： 丛i 曼煦巡型曼! 曼堡虹q l q g y a d v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f e s s o rl i a ob n m a s t e rc a n d i d a t e ： o ni i m a y 2 0 1 0 华东师范大学学位论文原创性声明 i l ll l ii ii i l lil ll i lll y 17 4 3 2 5 2 郑重声明：本人呈交的学位论文 棚卑锄麦等为弓俸的研毵 ， 是在华东师范大学攻读硕左博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或 撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说 明并表示谢意。 作者签名：函垦日期：为f 口年j 月刁日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 小叨牟j 缎硼曙岛吾伟西研弪 系本人在华东师范大学攻读 学位期间在导师指导下完成的硬博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东 师范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管 部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网 送交学位论文的印刷版和电子版；允 许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入 全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版， 采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文木， 于年月e t 解密，解密后适用上述授权。 ( 力2 。不保密，适用上述授权。 新签名廛越本人签名赴 如，p 年乡月刁日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位 论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上 述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用 上述授权) 。 塞耸硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 朱守正教授华东师范大学主席 高建军教授华东师范大学 陈德智高级工程师华东师范大学 摘要 近几年基于微系统的小功率微波等离子体源的研究越来越受关注，人们致力于得到 一种结构简单，使用寿命长，状态稳定，功耗低，效率高而且无电极污染的小型化等离 子体源。这种小功率微波等离子体源一般分为电容耦合和电感耦合等离子源，其中电感 耦合等离子体源( i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m as o u r c e ，i c p s ) 由于具有结构简单，离子 能量和等离子体密度等参数可控，无电极污染，工作稳定等优点被更加广泛的使用和研 究。 本文通过对平面螺旋电感耦合天线的性能分析，在传统i c p s 结构的基础上，提出 了金属线宽及金属线圈间距从外到内逐渐变小的渐变结构。论文采用表面电磁流的方法 对这类结构等离子体源的场进行了全波分析。 本文在此基础上设计了一个谐振在2 4 5 g h z 的渐变结构式平面螺旋电感耦合等离 子体源。利用电磁软件h f s s 和c s t 分别对这个i c p s 的性能和激发出等离子体后的天 线状态进行了仿真分析。在相同条件下，相比传统结构的i c p s ，渐变结构可以获得更 高的q 值，并能激发出更强大的电场及磁场，提高了微波功率源到电感感应放电能量 的转换效率。随后论文研究了恒磁场对等离子体的作用情况，通过等效介电常数分析恒 磁场对i c p s 的影响，并进行相应的软件仿真。 最后制作实物对这个渐变结构i c p s 的工作性能加以实验验证。 关键词：电感耦合等离子体源( i c p s ) ，微带螺旋电感，渐变结构，表面电磁流、 等效介电常数、恒磁场作用 夕 。产东帅他人学硕i j 学位论义 a b s t r a c t a st h el o w - p o w e rm i c r o w a v ep l a s m as o u r c eb a s e do nm i c r o - s y s t e mh a sa t t r a c t e dm o r e a n dm o r ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s ，r e s e a r c h e r sa r ed e d i c a t e dt oo b t a i nam i n i a t u r i z e dp l a s m a s o u r c ew i t hl o n gl i f e t i m e ，s t e a d ys t a t e ，l o wp o w e r , h i g he f f i c i e n c ya n dn oe l e c t r o d ep o l l u t i o n l o w p o w e r m i c r o w a v ep l a s m as o u r c ei s u s u a l l yc l a s s i f i e di n t ot w ok i n d s ，o n ei s c a p a c i t i v e l y c o u p l e dp l a s m as o u r c e ；t h eo t h e ri si n d u c t i v e l y - c o u p l e dp l a s m as o u r c e ( i c p s ) i c p sh a sg o taw i d e s p r e a du s ed u et oi t sa d v a n t a g ei np a r a m e t e r sc o n t r o l l e d ，p o l l u t i o n f r e e ， s t e a d yw o r k - s t a t e t h ep l a n a rs p i r a li n d u c t i v e l y - c o u p l e da n t e n n ai s a n a l y z e di nt h i st h e s i s ，a n dan e w g r a d i e n ts t r u c t u r eb a s e do nt r a d i t i o n a li c p si sp r o p o s e d i nt h en e ws t r u c t u r e ，t h es p a c e b e t w e e na d j a c e n tc o n d u c t o r si sn a r r o wi nt h ec e n t e r , a n di tb e c o m e sw i d e ra n dw i d e ra st h e r a d i u s i n c r e a s e s e q u i v a l e n te l e c t r o m a g n e t i c s o u r c em e t h o di su s e dt o a n a l y z et h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d se x c i t e db yt h ei c p s b a s e do nt h en e ws t r u c t u r e ，ag r a d i e n ti c p sw o r k i n ga t2 4 5 g h zi sd e s i g n e d s i m u l a t i n g s o f t w a r ec s ta n dh f s sa r ee m p l o y e dt oc a l c u l a t ei t sp a r a m e t e r s u n d e rs a m ec o n d i t i o n h i g h e rqv a l u ea n ds t r o n g e rf i e l dc a l lb eo b t a i n e db yt h eg r a d i e n ti c p s ，w h i c hr a i s e s e f f i c i e n c yi nc o n v e r t i n gt h es o u r c ep o w e rt of i e l dp o w e r t h ei m p a c to fe n f o r c e dd cm a g n e t i c f i e l dt ot h ep l a s m a sa n dp l a s m a ss o u r c ei sa l s oi n v e s t i g a t e db yu s i n ge q u i v a l e n tp e r m i t t i v i t ym e t h o d 。 f i n a l l ys o m ee x p e r i m e n t sa r ec a r d e do u tt ov 舒母t h ep e r f o r m a n c eo ft h en e ws t r u c t u r e i c p s k e yw o r d s ：i n d u c t i v e l y - c o u p l e dp l a s m a s o u r c e ，s p i r a li n d u c t o r , g r a d i e n ts t r u c t u r e ， e q u i v a l e n te l e c t r o m a g n e t i cs o u r c e ，e q u i v a l e n tp e r m i t t i v i t y i 卑东帅范人学颂l j 学位论文 目录 摘要v a b s t r a c ti 第一章引言1 1 1 研究目的和意义1 1 2 小功率微波等离子体的研究现状3 1 2 1 小功率微波等离子体理论的研究3 1 2 2 小功率微波等离子体特性的研究4 1 2 3 微波等离子体应用方面的进展4 1 2 4 小功率微波等离子体源的研究5 1 3 论文的主要内容和创新点7 1 4 论文的内容安排8 第二章平面螺旋电感耦合天线的基本理论9 2 1 平面螺旋电感的基本结构和场分析9 2 2 射频螺旋电感线圈的性能分析和优化理论1 2 2 2 1 介质层厚度对线圈品质因数的影响1 3 2 2 2 介质层材料对线圈品质冈数的影响1 3 2 2 3 介质层的电导率对线圈品质冈数的影响1 4 2 3 渐变式结构射频螺旋线圈的性能分析和设计1 5 第三章等离子体的电磁模型1 8 3 1 等离子体的基本性质1 8 3 2 等离子体的色散模型分析2 0 3 3 等离子体的d m d e 模型的建立2 l 第四章渐变结构平面微带螺旋i c p s 的场分析2 2 4 1 等效电路模型法2 2 4 2 表面电磁流全波分析方法2 4 第五章对2 4 5 g h z 的渐变结构式平面螺旋i c p s 天线的软件仿真设计与实验测试2 8 5 1 渐变螺旋线圈参数设计2 8 5 2 渐变结构与均匀结构螺旋线圈的s l l 和q 值比较2 8 5 3 渐变结构与均匀结构螺旋线圈电磁场分布的比较3 0 5 4 介质层介电常数和厚度对渐变结构线圈的谐振频率影响3l 5 5 实物测试3 2 第六章等离子体激发后i c p s 天线的性能仿真3 5 6 1 等离子体激励后的s 1 l 的仿真结果3 5 6 2 外加静磁场与等离子体相互作用的理论分析3 8 6 3 外加静磁场后等离子体的变化情况4 0 第七章总结与展望4 2 7 1 总结4 2 7 2 进一步的工作4 2 参考文献4 3 致谢4 8 华东师范入学信息科学技术学院电磁场与微波技术专业2 0 1 0 年硕十毕业论文 1 1 研究目的和意义 第一章引言 等离子体是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态通常被视为物质除 固态、液态、气态之外的第四种形态，与电磁场的耦合作用极强【。人工产生等离子体 的方法主要是通过气体加热或放电，这一变化过程如图1 1 所示。 繁一 瘿禽一 碑罄 气体竺直旱仕 按照带电粒子温度的不同，等离子体可分为高温和低温等离子体。低温等离子体 易于人工产生，有高压等离子体和低压( 小于一个大气压) 等离子体之分，低压等离子 体常用于微电子器件的制造。在研究与应用方面低温等离子体展现了强大的生命力和发 展势头，目前广泛应用于环境保护，生物杀菌以及微电子工业中等离子体刻蚀、表面处 理及各种功能膜的沉积【2 】【3 】【5 1 。低温等离子体的制备方式主要有如下几种：电晕放电、 辉光放电、无声放电( 又称介质阻挡放电) 、射频放电和微波放电。 低温等离子体又分为热等离子体和冷等离子体，两者具有相似的电子温度( 几千k 到1 0 万k 甚至更高) ，区别在于热等离子体内部处于“热平衡状态”，即电子，离子以 及中性粒子的温度几乎相同；而冷等离子体内部的离子和中性粒子的温度较低，温度范 围在3 0 0 k ( 常温) 到2 5 0 0 k 之间，属于“非热平衡 等离子体，可在低压下激发【2 1 。 比如电晕放电等离子体、介质阻挡放电等离子体它们的产生方式如图1 - 2 所示 华尔师范人学信息科学技术学院电磁场与微波技术专业2 0 1 0 年硕十毕业论文 图l - 2 电晕放电( a ) 和介质阻挡放电( b ) 的两个基本形式 根据制备方式的不同，低温等离子体可以分为直流等离子体和微波等离子体。其中， 微波等离子体具有如下优点【3 】【6 】：具有较高的电离和分解程度；电子温度远高于中性气 体温度，运载气体可保持合适的温度；在高气压下能维持等离子体；没有内部电极，在 等离子体容器内没有工作气体以外的任何物质，是洁净的，无污染的，等离子体发生器 的使用寿命比较长、安全可靠；微波泄露容易控制。微波发生器是稳定的，容易控制的； 等离子体可以采用磁约束方法，约束在设定的空间内；环境污染小。在许多情况下，微 波等离子体是一种比较安静的等离子体，而直流放电常会伴随很大的噪声。 对于产生这种微波等离子体的装置或者发生器称之为微波等离子体源。它是采用微 波放电，利用高频电磁场使气体激发而产生等离子体，由于微波能穿透介质，放电系统 无需内电极，避免了电极高温腐蚀、工作气体污染等问题，微波击穿扩散效率高，可以 得到高浓度和高度活性的离子、电子、自由基以及激发态粒子，工作气体可以在低压到 大气压下维持放电【7 1 。因此微波等离子体源的快速发展和突出优势促进了微波等离子体 在化学分析、材料合成、废气处理、陶瓷切割、杀菌等越来越多的领域得到了广泛的应 用。根据源天线的不同耦合方式，微波等离子体源可分为：电容耦合，电感耦合和电磁 波耦合三种。电磁波耦合是通过天线远场进行能量耦合，多用大功率的射频源来激发等 离子体；电容和电感耦合一般是通过天线的近场进行气体放电，可以采用小功率微波源 进行激发。目前电容耦合和电感耦合方式比较普遍，基本结构如下图1 3 所示。生成的 等离子体称为电容耦合等离子体( c a p a c i t i v e l yc o u p l e dp l a s m a ，c c p ) 和电感耦合等离 子体( i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a ，i c p ) 。 2 ( 电矗高 搿 而 华尔师范人学信息科学技术学院电磁场与微波技术专业2 0 1 0 年硕十毕业论文 图1 3 ( a ) 、( b ) 、分别代表了电容、电感、耦合等离子体源结构 近几十年来，等离子体在基础工业和高新技术领域中得到广泛的应用，除去在传统 的焊接、切割、照明、冶金、化工、磁流体发电等方面继续扩展其应用之外，在微电子 加工、光刻录、磁记录技术、材料的表面改性、镀膜、超细超纯材料的制备等高技术领 域都显示了其独特的优越性6 】【8 1 。 现在对于等离子体的研究主要集中在以下几个方面： 1 等离子体的性质，运动规律，粒子模拟过程，研究理论主要包括粒子轨道理论， 磁流体力学理论和等离子体动力论三个方面。 2 等离子体的应用研究，扩大和完善等离子体在不同学科领域内的作用。 3 优化等离子体源的结构，提高效率，不断适应微机电系统的小型化需求。 1 2 小功率微波等离子体的研究现状 目前，对于小功率微波等离子体的研究可以分为三部分：一是对低功率微波等离子 体本身特性的研究；二是对微波等离子体的应用研究；三是对其激励方式即微波等离子 体小功率发生装置的研究。 1 2 1 小功率微波等离子体理论的研究 电磁波在等离子体中的传播向来是等离子体的一个研究热点，l a r o u s s i 研究了电磁 波在不均均分层等离子体中的传播特性，给出了电磁波在等离子体中被吸收的数值结果 p 】。h u 采用散射矩阵法( s c a t t e r i n gm a t r i xm e t h o d ) ，给出了电磁波入射到分层等离子 体时，相应的反射系数和透射系数的表达式【l o 】。 为了研究等离子体射流与电磁波的相互作用问题，m h d ( m a g n e t o h y d r o d y n a m i c ) 理论把流场和电磁场耦合在一起进行求解，可以计算出等离子体流在外加磁场作用下电 磁和温度特性【1 1 j 。 华尔师范人学信息科学技术学院电磁场与微波技术专业2 0 1 0 年硕十毕业论文 1 2 2 小功率微波等离子体特性的研究 自2 0 世纪5 0 年代以来，等离子体物理学已经取得了许多进展，对受控核聚变和低 温等离子体应用都有做进一步的研究【1 2 】【i3 1 ，为人们制备和应用各种等离子体提供了必 要的理论基础。等离子体的导电性分析对于促进等离子体的基础研究和技术应用方面具 有普遍意义。 2 0 0 9 年，h o r i a - e u g e n 等人在对小功率微波等离子体电导率的研究中，通过采用微 波功率的电容耦合谐振方式激发等离子体，工作频率为2 2 g h z ，在不同压强下对等离 子体的等效阻抗和电导率进行测量，研究发现，等离子体的频率或高或低于射频源的工 作频率：小功率微波等离子体的电导率与反应气体压强大小以及电子密度有关。电子的 碰撞频率和等离子体电导率都将受微波场波动的影响【1 5 1 ，2 0 0 9 年j u n 在对电容耦合等 离子体的测量中发现，在反应气体压强不变的条件下，随着激励频率的提高，微波等离 子体的阻抗将会降低，反应鞘的阻抗以及微波电极电压也会随之变d d 】。这个变化规律 同样适用于低压微波等离子体。实验中采用的测量装置结构如下图l _ 4 所示。 显然，随着等离子体技术应用的快速发展，国内外对小功率微波等离子体的特性研 究已经取得了很大的进步，不只是停留在理论分析，物理计算的基础之上，更多的是结 合实际应用需求，通过仿真和实验测量的方式具体直观地找出等离子体主要特性参数在 不同激励环境下的变化规律，比如激励源的功率波动，工作频率以及反应气体的压强影 响等等情况。这些研究成果的获得将大大方便等离子体技术更好的应用，人们由此可以 根据实际情况选择正确的等离子体类型，也可以通过采用合适的微波源频率、激励功率 以及反应气体压强，提高微波等离子体的发生效率。 1 2 - 3 微波等离子体应用方面的进展 这是微波等离子体三个研究方面发展最快，成绩最为显著的一部分。目前微波等离 4 华尔师范人学信息科学技术学院电磁场与微波技术专业2 0 1 0 年硕十毕业论文 子体在生物系统中的应用分为两方面，一是通过加入大强度，足以“致命”的等离子体， 使细胞死亡，比如灭活，生物净化和杀菌；另个是加入少剂量的等离子体，通过一种 可控的方式改变细胞的生长。 目前微波等离子体在环境方面的应用主要集中在对n o x 和s o x 气体以及其他挥发 性有机化合物的过滤，通过在净化气体的反应装置内充满等离子体，污气将会得到较为 完全的过滤，还能减小整个反应管中的气体压力，降低了对装置的要求。 2 0 1 0 年k a z u os h i m i z u 等人在此基础上，对于去除n o x 和c x h y 的气体净化等离 子体应用有了迸一步研究，理论和实验发现：当反应气体由n o ，0 2 和n 2 组成时，对 n o x 的过滤能力是最强的。当反应气体中包含n o ，c 3 h 8 ，0 2 和n 2 时，对c 3 h 8 的去除 能力最强【1 7 】。 除此之外，微波等离子体应用在化学合成、碳纳米薄膜制备【l s 】( 包括等离子体化学 气相沉积技术p c v d ) 、表面改性、刻蚀等精细化学加工方面也取得了令人瞩目的成就 【19 1 。采用d r u d e 模型分析等离子体层厚度对等离子体天线辐射特性的影响等( 2 0 1 。随着 等离子体应用的不断深入，对于等离子体源的要求也相应提高。 等离子体由于对电磁波有吸收作用，因此在电磁隐身方面也有一定的应用前景，当 电磁波频率和等离子体频率接近的时候，有最大的吸收效率，特别是当电磁波频率较低 时，这个效果更加明显【2 1 1 。 1 2 4 小功率微波等离子体源的研究 微波等离子体的广泛应用促进了等离子体源的研究和发展【2 2 】【2 3 1 。如前所述微波等 离子体源可分为电容耦合等离子体源和电感耦合等离子体源两种。目前常用一种微带环 缝结构作为小功率电容耦合等离子体源天线，这种等离子体源是将一段线性开路谐振器 绕成环形，其两个终端形成一个缝隙，调整微带线谐振器的馈电使其工作在第一奇模上， 这样在缝隙间获得很大的电势差，从而使缝隙周围的气体放电。该谐振器的输入阻抗可 以通过改变缝隙的位置来调整【z 4 】。如图1 5 所示m s s r 主要有两种结构，两者的区别 在于( a ) 图中最佳阻抗匹配可以通过四分之一波长的匹配网络进行调节，( b ) 图中的最佳 阻抗匹配则通过调节放电缝隙的位置，角度以及宽度来完成。 华东师范人学信息科学技术学院电磁场与微波技术专业2 0 1 0 年硕十毕业论文 环缝谐振器 直 羹垂 隙 息 环缝谐振器 ( a ) 加有匹配网络的m s s r ( b ) 直接馈电的m s s r 图1 5 两种形式的环缝谐振器结构 放 电 缝 隙 这种等离子体源的结构简单，气体可以在常温常压下激发等离子体，对于激发装置 的要求比较低，尺寸上基本满足了等离子体源小型化的要求。其缺点在于两个电极直接 与气体接触，很容易被气体腐蚀，使用寿命短【2 5 1 。目前人们已经采用了不同的建模和仿 真实验方式对这种基于微带环缝天线的小功率微波等离子体源加以研究，得到了缝隙宽 度和偏转角度以及介质基片的介电常数等对这种等离子体源的性能影响情况【2 引。并且， 基于这种微带环缝谐振器的奇模等效电路，通过s 参数与微波等离子体阻抗之间的关 系，研究了小功率微波等离子体源的阻抗匹配及其在不同气体条件下的放电规律【2 7 】。 与电容型耦合等离子体源相比，电感耦合等离子体源( m c s ) 没有电极结构，不存 在电极被污染的问题，使用寿命更长，其源电场可以与等离子体的边界相切，大大减少 了等离子体腔的能量辐射，具有较高的使用效率 4 1 。与此同时，i c p s 的面积易于扩展， 具有等离子体密度和离子能量等参数可以控制，工作稳定，工艺污染损伤小等优点。 电感型耦合等离子体源( i c p s ) 的研究最早起源于实验室电感耦合等离子体质谱仪。 目前受到广泛研究和应用的小型化i c p s 是由k e l l e r 提出的以平面电感线圈为天线的等 离子体源结构。1 9 9 9 年，h o p w o o d 设计出线圈直径为1 5 m m ，6 匝的1 0 0 m h z 射频源 的i c p s ，激励功率为1 w 左右，品质因数q 值最大能达到2 4 0 2 8 j 。 2 0 0 3 年，h o p w o o d 又设计出了4 5 0 m h z 的小功率i c p s ，线圈直径只有5 m m ，线 圈数3 匝，品质因数q 值最大能到3 0 0 ，其尺寸更小，制作简易，工作稳定，可以在 o o l t o r r 。l t o r r 的压强范围内以较低的功率( 最低能在5 0 0 m w 左右) 激发等离子体【2 9 1 。 6 华尔师范人学信息科学技术学院电磁场与微波技术专业2 0 1 0 年硕十毕业论文 图1 - 6h o p w o o d 在2 0 0 0 年设计的小功率电感耦合等离子 在此之后，如图1 7 中大图所示结构的i c p s 被提出，这是一种使损耗减小的自谐振 结构【3 0 1 ，相比图卜7 中小图所示的引入叉指电容结构的i c p s ，辐射场大大加强，微波功 率源到电感感应放电能量的转换效率也得到很大提高。人们基于此结构设计了2 4 5 g h z 小功率i c p s ，研究发现平面螺旋电感线圈的外径d 。增大时，谐振频率减小；随着金属线 圈宽度w 和间距s 增大，q 值先增大后减小；随着介质层的介电常数增大，谐振频率减小， 同时q 值呈减小趋势【3 1 1 。 图1 7 传统型平面微带螺旋i c p s 的结构( 大图：自谐振：小图：叉指电容调谐) 1 3 论文的主要内容和创新点 本文的创新点主要为： 1在传统i c p s 结构的基础上，本文提出了金属线宽及金属线圈间距从外到内逐渐 变小的渐变结构，此种结构的平面螺旋电感耦合等离子体源，在相同条件下，可以获得 更高的q 值，并激发出更强大的电场及磁场，提高了微波功率源到电感感应放电能量 的转换效率。并采用表面电磁流分析方法对此种结构的等离子体源的辐射场进行了初步 的理论分析。 7 华尔师范人学信息科学技术学院电磁场与微波技术专业2 0 1 0 年硕十毕业论文 2 研究了等离子体色散模型等效的方法，基于渐变结构式的小功率2 4 5 g h z 平面微 带螺旋i c p s ，采用c s t 软件对激发等离子体后的电磁状态进行了仿真分析。 3 基于本文设计的2 4 5 g h z 的i c p s ，理论分析了在激发等离子体的同时外加永磁 体对其电磁状态的影响情况，并建立模型进行软件仿真。 1 4 论文的内容安排 本文的结构安排如下： 第一章绪论。介绍了本课题的研究目的和意义，微波等离子体的的研究发展现状；给 出了本文的主要工作和创新点。 第二章微带螺旋电感耦合天线的基本理论。介绍微带平面螺旋电感的基本结构和场分 析。分析平面螺旋电感各参数和线圈能量损耗之间的关系，给出采用渐变式结构降低损 耗的方法。 第三章等离子体的电磁模型研究。分析等离子体的性质和物理参量，研究等离子体的 色散等效模型。 第四章对渐变结构平面微带螺旋i c p s 的场分析。采用表面电磁流方法对此种结构等离 子体源的电场和磁场进行了初步的理论分析。 第五章对2 4 5 g h z 的渐变结构式平面螺旋i c p s 天线的设计仿真和实验测试。采用电 磁软件h f s s 对相同条件下渐变结构和传统均匀结构i c p s 的s 参数和辐射电磁场分布 进行仿真比较。最后制作实物，给出了实验测试结果。 第六章等离子体激发后的分析和仿真。基于等离子体的色散等效模型，通过c s t 软件 对激发等离子体后的i c p s 电磁状态进行了仿真分析。并基于本文设计的2 4 5 g h z 的 i c p s ，研究静磁场对等离子体的作用情况；通过等效介电常数建立模型，仿真分析了等 离子体外加恒磁场时对i c p s 电磁状态的影响情况。 第七章总结与展望。 华尔师范人学信息科学技术学院电磁场与微波技术专业2 0 1 0 年硕十毕业论文 第二章平面螺旋电感耦合天线的基本理论 2 1 平面螺旋电感的基本结构和场分析 采用电感耦合等离子体谐振天线来激发等离子体是目前普遍使用的种方式，这种 天线主要分为平面盘绕状线圈、圆筒螺旋状线圈和浸入式天线。三个结构中以平面式盘 绕状线圈应用最为广泛，常见的平面螺旋电感有方形、矩形、八边形和圆形，如图所 2 1 示常见的几种平面螺旋结构。一般情况下，圆形的电感线圈在天线的耦合能力上更 容易提高【3 2 1 。 图2 1常见的三种平面螺旋电感结构 使气体电离必须提供很高的能量，要求等离子体源的谐振天线在某一频点上拥有较 高的品质因数，保证能量的集中释放3 2 1 ，由于采用圆形的螺旋电感在天线的耦合能力上 很有优势，所以下文主要讨论的是圆形的平面螺旋i c p 源。常见的圆形平面螺旋i c p s 结构如下图2 2 所示。 r f b i a s 图2 2 平面螺旋i c p 源的基本结构示意图 电感线圈采用金属微带线，刻蚀在介质基板上。一般采用底馈或者侧馈的方式给线 圈提供一定的射频微波电流。当线圈将耦合电磁能提供给气体时，在气体内部邻近区 9 华东师范人学信息科学技术学院电磁场与微波技术专业2 0 1 0 年硕+ 毕业论文 域产生感应磁场8 ( r ，z ，f ) ，根据法拉第定律v e = 一詈，在反应室中感应电场e ( ，z ， 由磁场口产生，该电场加速气体中的电子运动，使之不断与中性气体分子碰撞，并 化而产生等离子体，随后电感线圈中的射频能量耦合到电离的气体中，不断激发并维 等离子体。 v e n t z e k 等人从对平面式电感线圈的研究中发现，平面式电感线圈的磁感应场是 均匀的，磁感应强度b 在线圈半径大约1 2 处达到峰值，因此在这个地方等离子体 密度也是最大的。由于电感线圈的最后一圈并不是对称结构，因此等离子体在沿方向 方向的均匀性相对较差【3 3 1 。如图2 3 所示，m a r w a m 等人计算了平面螺旋电感线圈电 归一化电场强度沿方向角和径向的变化情况。 a z i m u t l n dt 蜘( 。) 盎执瓣 糖 i 图2 3 ( a ) 平面式螺旋线圈及( b ) 其产生的归一化感应场 过电感线 与其他粒 在电场的 华东师范人学信息科学技术学院电磁场与微波技术专业2 0 1 0 年硕十毕业论文 图2 _ 4i c p 源天线线罔结构及其r f 磁场 如图2 4 所示，线圈中的电流如果为厶e x p ( t a t ) ，转速为n 转分，则可将振荡线圈 中的电流近似为一个角向薄层电流k ( f ) = m oe x p ( c o t ) ，该电流将在辐射方向引起一个 振荡的薄层磁通量母( t ) ： b ，( t ) = o i oe x p ( c ot ) t ( 2 1 ) 式中，卜开氏温度，真空磁导率。 根据法拉第定律， 笋= j c o 6 b ，t ) 协2 ， oz 时变的磁通量将会产生一个角向的微波电场易，若假设该电场在空间上主要是沿着z 方向变化，万代表欧姆吸收的趋肤深度，根据： 望墨旦! ：一旦卫 az6 可将电场表示为： e 矽( f ) = 一一j c o6b ，( f ) 根据简化得动量方程 丝堕=一qe口一m。y。ot f8。 可以求得电场易驱动的等离子体电流易，又电子速度为v = 可得到等离子体电流为： 一q e 8 m e ( j o g + v ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 驴- - n e q v e = 譬m 等 协6 ， 。 刃一十y 一 华东师范人学信息科学技术学院电磁场与微波技术专业2 0 1 0 年硕十毕业论文 由此可得，传输给等离子体中电子的平均功率为： 胁= r e 【引m 【引= 警- 南形肼协7 ， 式中，他电子质量，屹电子的速度，g 电子的电量 心电子的密度，功角速度 2 2 射频螺旋电感线圈的性能分析和优化理论 如前所述，当螺旋电感线圈用作等离子体的激励源天线时，必须在某一频点上耦合 出足够大的电磁能量才能使反应气体放电，并产生和维持等离子体，这就要求射频电感 线圈具备较高的q 值，因此在进行小功率i c p 源的设计前，对于电感线圈的性能分析 和优化，提高其q 值，具有重要的意义。 多年来，在对平面螺旋电感( 传统均匀线圈结构) 的建模，等效电路计算以及仿真 实验中【3 6 】，发现q 值和线圈金属的材料，厚度以及线圈金属带的宽度和间距等都是密 不可分的，虽然具有一定规律，但是要得到某个电感线圈的最佳品质因数q m a x 则需综 合考虑该平面螺旋线圈的实际情况【37 1 。只有在各参数组合达到最佳匹配时才能获得最优 性能。如图2 5 介质基板上微带螺旋电感线圈的物理结构。 l s r s 图2 5 片上螺旋电感的物理结构和基本参数 在此，基板可选用硅等半导体材料，电感微带线选用的是铝、铜、金等金属材料。 m t l 和m t 2 分别构成螺旋线金属线圈和下通路。可以通过一个介电质层将两个金属偏置 内联和分隔。线圈本身的电感在图中以t 表示，然而在实际电感中还具有起反向作用 的电阻和电容效应，因此可认为是并联了电阻和电容。并联电阻由于欧姆损耗会消散能 1 2 华尔师范人学信息科学技术学院电磁场与微波技术专业2 0 1 0 年硕士毕业论文 量，而并联电容则会储存电场能量。螺旋线和下通路的电阻在图中由串联电阻r 表征。 下通路和螺旋线重叠的地方会产生电容耦合效应，由串联电容e 表征。在螺旋线盒介 质基板间的氧化层电容在图中以c 矗表示。介质基板的电容和电阻分别用q i 和r s i 表 示。 2 2 1 介质层厚度对线圈品质因数的影响 通过实验研究发现，当处于螺旋线和基板间的氧化层厚度从小到大变化时，螺旋电 感的q 值变化情况如下图2 - 6 所示。 k 2 o 叠 蚤 = 蔼 暑 f r e n q u e n c y g h z 图2 6 介质层厚度和电感线圈q 值的关系图 氧化层厚度的增加将会缓解基板对电感性能的影响，同时降低并联电容，从而提高 电感的q 值和频率特性【3 引。由于基板介质层厚度的减小，将导致耦合电容和位于基板 及螺旋电感之间的并联电容变大，电感的自谐振频率( s r f ) 随之显著的降低。因此介质 层厚度的增加有助于提高螺旋电感线圈的性能，然而介质层的厚度也会对平面电感的制 作带来一定问题。 2 2 2 介质层材料对线圈品质因数的影响 并联电容不仅同介质层的厚度有关，介质层的材料同样会影响并联电容，电容将随 着介质层的介电常数s 的增大而变大。变化关系图如图2 ，7 所示。 o 8 6 4 2 o 8 6 4 2 o 2，1 华东师范人学信息科学技术学院电磁场与微波技术专业2 0 1 0 年硕十毕业论文 k 营 艺 囊 砻 譬 礴 掌 图2 7 介质材料和电感o 值的关系 图中，介质的介电常数越低，电感的性能越佳。当介电常数从7 减少到1 1 ，q 值 最大值将会增大4 0 7 2 ，同时s r f 增强4 5 6 5 ( 此时采用的电感线圈金属线为铝材料， 基板材料为s i 材料) 。由于并联电容在介质层采用了低介电常数的材料时会减小，由此 可降低基板损耗，可以有效的提高螺旋电感的工作性斛3 8 】。所以，介质材料的有效选取 将给电感性能的提高带来很大帮助。 2 2 3 介质层的电导率对线圈品质因数的影响 介质损耗的主要原因来自于感应耦合。由于电感是平面结构，磁场、涡流电流环路 和相应的损耗会渗透到基板内部。另一个重要的损耗源来自于电容耦合，传导电流不仅 流过金属带还会流过基板。所以要减少由电感耦合和电容耦合引起的基板损耗最好的方 法是减少进入基板的电流。在相同条件下，基板的电导率和电感线圈q 值之间的关系 如图2 8 所示。 k 善 迂 蚤 葛 奢 f r e n q u e n c y g h z 图2 - 8 基板电导率和电感q 值的关系 从图中可以看到，具有相同工作频率的电感随着电导率值的减小，电感的性能得到 1 4 锵经协8 6 4 2 o 华尔师范人学信息科学技术学院电磁场与微波技术专业2 0 1 0 年硕十毕业论文 很显著的增强。q 值和s r f 具有统一的变化趋势。因此，减小基板的电导率对提高q 值和s r f 是一个很有效地方法【3 8 1 。然而当电导率低于o 1s m 时，电感性能的提高并不 明显，所以在实际制作中为了得到较好的平面螺旋电感性能，最小采用0 1s m 是比较 合适的。 以上介绍的内容主要是基板损耗给电感性能带来的影响。还存在不少其他因素，在 这些因素中，高频条件下涡流电流可能是最重要的影响方面。通常传统的螺旋线圈拥有 固定的线圈金属带宽度和间距。这种结构下的电感中，磁效应损耗的影响对螺旋电感的 内圈影响非常大，在此处磁场能量将会达到最大值。因此，在9 0 年代术人们提出了使 用h o l l o w 线圈形式来降低损耗，因为涡流电流是在高频时产生而且线圈的内层圈将会 拥有更高的阻抗。然而，这种方法增加了技术复杂度。因此，一些学者提出了改变传统 螺旋线圈的设计方式，螺旋电感线圈不再拥有固定的线宽和间距，经过研究发现，渐变 式结构可以在不增加制作成本和复杂度的条件下，提高电感的品质因数q 值，是一个 方便有效，易于扩展的优化方式。鉴于这种渐变结构在提高平面螺旋电感性能的创新性 和重要性，将在下一节中完整分析其理论基础和设计方法。 2 3 渐变式结构射频螺旋线圈的性能分析和设计 r f 平面螺旋电感的品质因数q 主要受介质损耗和金属损耗的影响。对于高电阻率 的硅材料基板，线圈的能量损耗是主要原因，也是螺旋结构的固有特征。非零电阻率金 属线的内部能量损耗来自于电流流过螺旋线圈本身，这个电流会产生欧姆损耗和涡流电 流损耗。 图2 - 9 中给出了传统型方形螺旋电感的基本尺寸参数，具有固定的金属线宽和线间 距。 图2 - 9 传统方形螺旋电感线圈结构及其基本尺寸参数 如图所示这种结构电感具有基本参数有：内半径d i n ，外半径d o u t ，金属线宽度w ， 1 5 华尔师范人学信息科学技术学院电磁场与微波技术专业2 0 1 0 年硕十毕业论文 金属线i 日j 距s ，以及m 1 和m 2 两个金属层。在此可以用以下公式定义螺旋电感的q 值： q = c o r l s 基板损耗因子自谐振因子 ( 2 - 8 ) 式中，厶电感线圈的串联电感，足电感线圈的串联电阻 截取金属带中一段进行分析，金属带中电流和磁场关系如图2 1 4 所示。 吃哟， 雪 f r o 订 图2 1 0 微带金属线段中的电流和磁场情况 t 棚表示产生时变磁场既，的交流电流。越靠近内圈的地方，磁场强度越大，根据 法拉第定律，这个时变磁场将产生涡流电流k 。根据楞次定律，k 将产生时变的磁 场。根据图中的关系，总磁场民甜+ 将会减小，由此总的电感量也随之会降低。 所以越靠近线圈中心的金属带对电感量的贡献越小。然而在金属线内部的k 和乞甜具 有相同的电流方向，由此会改变总的电流密度。而在金属带的外部，k 和k 的方向 是相反的，这将降低总的电流密度。特别地，当金属带越靠近线圈中心，这种不对称的 电流现象会更加明显。在这个时候串联电阻将变得更大。在高频条件下，这种涡流效应 将会降低电感的品质因数q 。 下面分析电感线圈的串联电阻黜，它和金属带宽的取值成反比例关系。所以我们可 以通过增加金属线的宽度来降低这个串联电阻，然而这样会导致整个螺旋电感的面积变 大，有可能会引起更大的基板损耗或其他不利于性能的因素。与此同时，研究人员发现， 增加金属线宽的同时会引起涡流效应，以至于具有大线宽的电感不定能得到最大的q 值，我们在设计中必须合理的选择金属线宽和线间距才能得到较好的工作性能。 综上所述，涡流电流效应会在金属带上产生不对称的电流密度，从而增大了串联 电阻，降低了电感在高频下的品质因数；而在靠近线圈中心的地方，磁场既，的强度达 到了最大。于是，研究