微波激發同軸慢波結構線型表面波電漿源之研究

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研究生：	潘彥儒 Pan, Yan-Ru
論文名稱：	微波激發同軸慢波結構線型表面波電漿源之研究 Study of a Surface Wave Linear Plasma Source Excited by a Dielectric Loaded Coaxial Slow Wave Structure
指導教授：	寇崇善 Kou, Chwung-Shan
口試委員:
學位類別：	博士 Doctor
系所名稱：	理學院 - 物理學系 Department of Physics
論文出版年：	2009
畢業學年度：	97
語文別：	中文
論文頁數：	114
中文關鍵詞：	微波電漿、表面波、線型電漿源
外文關鍵詞：	microwave plasma, surface wave, linear plasma source
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本研究為發展一新型線型微波電漿源，利用同軸慢波結構激發電漿表面波，以達到大尺寸及高電漿密度的特性。其設計為中心導體外包覆PTFE、空氣、石英和電漿的四層介質結構，透過色散理論的計算，我們將此結構設計為一2.45 GHz的共振腔；利用網路分析儀量測，我們可以確定此共振腔所激發的模式為TM 0,1,10 模，且色散關係與理論相符。透過氬氣電漿的電漿特性量測，我們可以看到，在靠近石英管的區域(電漿加熱區域)，不同輸入功率下，電漿密度最大值皆出現在500 mTorr附近，其加熱機制主要為Ohmic heating；並且電漿密度具有一下限值(2 × 10^11 cm^-3)，與理論相符；在遠離石英管區域，電漿密度決定於擴散效應(電漿密度反比於氣壓)；在455 mm長的共振腔中，電漿均勻度±5 %的要求下長度可達20 cm，電子溫度約為1.5 eV；為驗証此結構具有可scaling up的特性，我們將此結構延伸至一米長，其結果顯示，即使只使用單一微波源，在此結構中仍然可以維持電漿高均勻度及高密度的特性，在腔體中央80 cm的區域，電漿密度的均勻度可達±10 %，其電子溫度約為1.5 eV。

Symbols and Abbreviations                                  I
第一章    緒論                                             1
1-1    引言                                                1
1-2    微波電漿源簡介                                      3
1-2-1    平面型大面積表面波電漿源                          5
1-2-2    圓柱型大面積表面波電漿源                          7
1-2-3    大面積表面波電漿源的瓶頸                          9
1-2-4    線型表面波電漿源的優勢                           10
1-2-5    線型微波電漿源的相關研究                         11
1-3    同軸慢波線型表面波電漿源的概念                     14
1-4    研究目的及論文架構                                 16
第二章    理論分析                                        17
2-1    電漿表面波                                         17
2-2    同軸慢波結構的線性理論                             27
2-3    數值分析結果與討論                                 30
2-4    電漿特性對電磁波傳導的影響                         32
2-4-1    無碰撞下的傳播特性                               32
2-4-2    考慮碰撞下的傳播特性                             38
2-5    幾何尺寸對於共振頻率的影響                         43
2-5-1    共振腔長度對共振頻率的影響                       44
2-5-2    中心導體厚度對共振頻率的影響                     46
2-5-3    PTFE厚度對共振頻率的影響                         48
2-5-4    空氣層厚度對共振頻率的影響                       50
第三章    同軸慢波共振腔                                  52
3-1    同軸慢波共振腔尺寸的選定                           52
3-2    系統架構                                           54
3-3    慢波結構量測                                       57
3-4    實驗結果與討論                                     59
第四章    同軸慢波結構電漿特性量測                        66
4-1    實驗方法                                           66
4-1-1    Langmuir probe 實驗量測系統                      67
4-1-2    探針結構                                         69
4-1-3    數據擷取                                         74
4-1-4    Langmuir probe原理                               78
4-1-5    數據計算流程                                     81
4-2    實驗結果與討論                                     84
4-2-1    電漿特性隨氣壓的變化                             85
4-2-2    電漿特性的徑向分佈                               90
4-2-3    電漿特性的軸向分佈                               97
4-2-4    Scaling up to 1 meter                           104
第五章    結論                                           108
參考文獻                                                 110

                                

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