微波激发微等离子体源制备及性能研究

发布时间：2016-10-08 07:11

第1章绪论

开放式桂腔结构的微等离子体源除了使用直流或者低频交流驱动外,也有采用微波驱动的。采用微波驱动的微等离子体,其结构设计不仅需要考虑硅基材料微加工工艺的可行性,也要结合微波电路考虑的阻抗匹配设计。Berglund等设计制作了一款基于间隙环形徹带谐振器设计的微波激发微等离子体源,该微等离子体源的电极通过涵射、电锻等工艺与硅基底结合,并且在放电间隙处通过刻蚀形成一个放电腔室,如图1.10所示。该微等离子体源工作频率为2.9GHz,该装置可承受的最高工作功率为20以,当空气压强在20100brr时可产生等离子体,在高气压和低气压下的等离子体分布不同。微带线作为微波电路的传输介质之一,被研究者创新性地将其的阻抗匹配设计功能与微等离子体的电极功能完美賴合,使得基于微带线结构的微等离子体源的结构更为紧凑、功率损耗小。由于种种优点,基于微带线结构的微等离子体源被广泛研究,并且应用于化学检测方向。而在见报道的各结构中,微带环谐振器因其特有的将同一段微带两端作为放电电极,而使其功率损耗最小;但直线型微带谐振器有环状无法比拟的优点,即可阵列式设计,且当将其作为微化学分析仪器的电离源使用时,直线型更易于与分析仪器的其他部分匹配设计。

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第2章基于微带线谐振器的微波激发微等离子体源的设计

2.1引言

微带线谐振器是微波谐振器的一种表现形式,微波谐振器是一种具有储能和选频特性的微波谐振元件,可将电磁能量限定在一定体积内振荡,高品质的徹波谐振器能量损耗小,功率效率高。而将微波激发微等离子体源基于微带谐振器设计是从两个方面考虑,一方面是微带谐振器的微带结构既可实现阻抗匹配,也可直接作为电极,使其结构紧凑简单;另一方面,其基于基板的平面结构,使其在基底上制作时可以采用成熟的MEMS加工工艺,并与桂基的微化学分析芯片完美匹配设计及加工。

2.2高频板基的微波激发微等离子体源的设计

微等离子体源与发射光谱法结合可应用在挥发性有机物的检测,比如甲醇、乙醇等。由于甲醇和乙醇在等离子体发生系统中的引入,必然会带来水汽,因此能否湿度较大的气分下发生微等离子体也是需要重点考察的。我们将图2.8所示的微等离子体源分别在氣气混合甲醇蒸汽或氧气混合乙醇蒸汽的工况下发生等离子体,并记录发射光谱图:两种混合气体压强均为3500, 氧气进气流量为4000mLmin-i。在检测甲醇或己醇时,发射光谱图中一般的特征谱带是波长在516.35nm的C2谱带。因此通过比对氧+甲醇、乙醇、纯氧三种气分,在同样压强及进气流量工况下发生的等离子体的2谱带,即可确定图2.8所示的微等离子体源的性能是否符合挥发性有机物的测试需求。氧+甲醇、氧+乙醇、纯氧三种气分下的C2谱带如图2.9所示,C2谱带对甲醇最敏感,纯氧情况下几乎没有C2谱带,可证明该等离子体源适用于挥发性有机物的测试。

第3章微等离子体源芯片的制备及其阳极键合界面应力分析...........34

3.1引言.....34
3.2制作工艺.....34
第4章封闭腔室辉光放电微等离子体源的工作极限及不稳定性研究....49
4.1引言.....49
4.2实验部分.....49
4.3实验结果.....54
第5章PIC/MCC模型研究封闭腔室微等离子体源.....65
5.1引言65
5.2数值模拟方法描述.....65
5.3实验验证PIC方法的正确性.....68

第5章PIC/MCC模型研究封闭腔室微等离子体源

5.1引言

为了提高工作在低气压下的封闭腔室微等离子体源的性能,对于放电现象的物理机理的研究是必须的。对于微等离子体这种非热平衡放电来说,最重要的基本物理机理之一是粒子动力学。基于非入侵式诊断及实验设备简单经济性的优点,发射光谱法(OES)通常被用来诊断微等离子体的电子密度(Ue)和电子温度(Te),而且当与电荷賴合摄像机及合适的光学系统匹配使用时,发射光谱法的时间和空间分辨可分别达到几纳秒和几微米级别。但是,对OES来说,常用来确定的斯塔克展宽法只对工作在大气压下且电子密度足够高的微等离子体才能得到合理的准确度;另外采用光谱线性比与碰撞福射(collisional-radiative,CR)模型结合可用来诊断Me和把这种方法的准确度主要基于模型的建立,即激发态的能级分类、产生与消失过程的选择和每一个反应的反应速率对该方法的准确度都有影响。对于这三个方面来说,反应速率的计算需要基于电子能量的分布假设;对于封闭腔室低气压微等离子体,由于其平均自由程与等离子体腔室尺寸相当,很难准确判断激发态的产生与消失过程。因此,采用C民模型与光谱线性比的方法对于低气压下封闭腔室微等离子体并不适用。

5.2数值模拟方法描述

在PIC模拟计算模型中采用的微等离子体源的示意图见图5.1所示,数值模拟区域为图5.1的插图,即微腔室的剖面图,微腔室的直径(4)在模拟中设置为1000,腔室高度(4)在模拟中根据需要在六个值间变化:600、1000、1500、2000、3000和4000。最小网格宽度为5畔1。由于微等离子体的尺度比微波的波长小很多,等离子体被当作静电模型处理。因此,本文在模拟中考虑静电场的泊松方程,带电粒子的运动和碰撞过程。
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第6章结论与展望

作为微化学分析系统的电离源使用的微波激发微等离子体源,往往工作在低气压环境下的封闭腔室中。由于微小尺度的封闭腔室及低的气压带来的微等离子体中不同于大尺度常规等离子体的粒子间及粒子与壁面间的碰撞规律,导致一些独特现象,比如腔室壁面和电极的损伤,严重影响了微等离子体源的寿命。本论文设计制作了微波激发微等离子体源,通过实验研究了低气压下封闲腔室微等离子体源的工作极限和不稳定性;并用PIC数值模拟方法研究了气压、腔室尺寸、混合气体组分等因素对微等离子体性能的影响;通过原位拉曼光谱观测结合大尺度原子模拟,对桂-玻璃结构微等离子体源芯片制备中珪-玻璃阳极键合界面应力及生成的氧化珪的晶体形态进行了研究。基于上述研究,本文得到了如下结论;以当气体压强降低时,辉光到电弧的转变(glo以-to-arc,GAT)在EC微等离子体中不定期出现是由于离子对电极的轰击加剧及气体温度的提高引起的。微腔室尺寸的增加是避免EC微等离子体出现GAT的有效方法。EC微等离子体的fext的值比UEC微等离子体低。输入功率的増加会降低UE微等离子体的Pext,而对EC微等离子体的fext基本没有影响。EC和UEC微等离子体均能在离子平均自由程大于放电间隙的情况下维持。

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参考文献（略）

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本文编号：133368