等离子体是物质存在的第四态,广泛存在于宇宙和人类的日常生活中。近年来,低温等离子体在物理、化学、微电子、材料科学、能源、国防军工等领域得到了广泛的运用。低温等离子体存在多种产生方式,有电感耦合等离子体、电容耦合等离子体、辉光放电等离子体、介质阻挡放电等离子体等。相对于其他方式而言,电感耦合等离子体(ICP)有着其独特的优势,比如相对较高的等离子体密度(1011-1012cm-3),较小的离子通量,以及可控的离子能量等等。因此,它被广泛运用于等离子体辅助化学合成、薄膜沉积、表面改性、晶体生长、刻蚀等半导体和显示器工艺上。而工业应用上的等离子体需要等离子体可控并且稳定,这对等离子体的产生与维持提出了更高的要求,而电感耦合等离子体在产生机理及维持环境上依旧有很多问题悬而未决。基于此,本文开展了电感耦合等离子体的研究工作。随着射频输入功率的不断增加,电感耦合等离子体在放电中存在两种工作模式：即低输入功率(或小线圈电流)下的容性耦合模式(E模)和高输入功率(或大线圈电流)下的感性耦合模式(H模)。随着输入功率开始馈入到等离子体,等离子体被激励产生并开始工作在E模状态,此时整个放电主要是由线圈两端的电势差产生的轴向电场来维持。随着输入功率不断增加直至超过一定的阈值,等离子体工作状态会突然跳变进入H模,这时放电主要由法拉第效应产生的环向电场来维持。随着输入功率不断降下来,放电又会回到E模状态,而H→E的转变功率一般会低于E→H的转变功率,从而呈现出滞回线的现象。ICP放电中的这种E←→H模式转变和滞回现象主要是由于等离子体吸收功率和耗散功率的非线性导致的。我们设计了一个圆柱形夹层腔电感耦合等离子体发生装置,并利用微波相位法获得了腔内的等离子体电子密度。通过控制输入功率和工作气压,在实验上成功观测到了ICP放电过程中的E←→H模式转变现象,重点研究了E→H以及H-+E模式转变点(包括转变密度和转变功率)随着工作气压的变化规律。实验结果表明：(1)在低气压下(v《ω),E→H转变密度几乎不变；高气压下(v》ω),转变密度随着气压增加而不断增大。E→H转变功率在低气压下随着气压增大而不断减小,在高气压下随着气压增大而增大,在v=ω(氩气压4Pa左右)时达到最低。(2)对于H→E转变点来说,低气压下,H→E转变密度几乎保持不变；高气压下,H→E转变密度随着气压增加而增大。在转变密度上,H→+E与E→H的变化趋势是一致的。但H→E转变功率几乎随着气压不断下降,仅仅在气压高于40Pa左右时才略有提高。此外,我们在实验中还观测到工作气压较低时,放电无滞回现象,只有当气压高于8Pa左右时,滞回线才会比较明显,并且随着气压进一步升高,滞回线宽度不断增加。此外,我们还研究了线圈半径的大小对模式转变点的影响。经过实验对比观察到,在相同的工作气压下,采用圆柱型外电极放电时,其转变密度和转变功率均明显提高。我们建立了一个圆柱型ICP模型,从加热方式上分析了这一结果：采用圆柱型外电极放电时,其线圈半径较大导致与放电腔体的接触面积增大,即增加了电容耦合分量中随机加热的功率值,因此需要更高的等离子体电子密度和馈入功率来使得电感分量超过电容分量,最终达到E←→H模式的转变。该结果从理论和实验上充分证明了随机加热对于模式转变的重要性,有助于我们对ICP放电模式的转变和滞回线现象的深入认识和理解。随着输入功率馈入到真空腔体内,等离子体最先是在线圈附近被激发产生,然后通过扩散到达整个腔体,因而等离子体在线圈附近的密度最高,随着距离线圈越远电子密度不断降低。要解决类似工业应用上的大面积、高密度等离子体,选择合适的放电方式和电极布置是至关重要的。我们在夹层等离子体放电腔中,采用三种不同的电极(包括圆柱型外电极、凹腔型内电极和多电感组合凹腔型电极)分别进行放电实验,在一个较宽的工作气压范围下(1-200Pa),研究了其对腔体内等离子体分布的影响。实验结果表明：外电极和内电极放电时,夹层腔体内等离子体分布基本相同,等离子体电子密度在腔体底部线圈附近最高。随着与电极距离不断增加,其电子密度持续下降,在顶部时密度仅能达到3×1010cm-3(输入功率2800W),相对底部而言电子密度整体下降了一个数量级左右。多电感组合凹腔型放电则能够较好地提高夹层腔顶部等离子体电子密度,在相对较低的输入功率下(1600W),就可以提高至1011cm-3的量级。这是因为多电感组合式放电采用内部封闭式的电极布置,可以很好地减少传输能量的损耗,提高能量耦合效率。该研究为电感耦合等离子体在工业生产上的实际运用提供了强有力的技术支持。电感耦合等离子除了在工业上有着广泛的应用外,其在国防中也有着重要的应用前景,这是因为等离子体对入射电磁波存在碰撞吸收等相互作用,通过在飞行器表面产生一层等离子体可以有效地降低它的雷达散射截面(Radar Cross Section,简称RCS)。我们采用多电感组合凹腔型ICP放电的方式,通过调节射频输入功率来控制夹层腔顶部的等离子体电子密度,在实验上研究了等离子体对5.0-7.0GHz和9.0-12.0GHz微波幅度衰减的影响。实验表明,随着等离子体电子密度的升高,等离子体对入射波的衰减不断增强。在5.0-7.0GHz这个频段内,当氩气气压25Pa,输入功率1600W时,等离子体对微波的衰减效果最佳,在这2GHz的带宽范围内平均衰减15dB左右。我们对最强衰减峰5.26GHz进行点频测量,观察到当输入功率1500W时达到峰值31dB。在9.0-12.0GHz这个频段内,当氩气气压25Pa,输入功率1600W时,等离子体对微波有较强的衰减效果,并在1GHz的带宽范围内(9.0-10.0GHz)大于10dB。我们对最强衰减峰9.8GHz进行点频测量,观察到1700W时到达峰值约32dB。实验结果表明,这种等离子体对C波段和X波段的微波均具有较好的衰减效果。此外,实验中还观测到随着等离子体密度和工作气压的改变,最强衰减峰的位置会随之出现偏移,这主要是由于等离子体对微波的衰减系数与电子密度和碰撞频率是非线性的相关关系导致。这项工作为等离子体在国防航天方面的应用提供了坚实的实验基础。