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探针与光谱分析

鏃ユ湡;2019-06-15  鏉ユ簮锛毼粗  浣滆咃細admin

  射频感应耦合等离子体的 探针和光谱分析 射频感应耦合等离子体的 Langmiur 探针和光谱分析 耦合 为了更好的了解射频感应耦合装置中空间离子密度和离子能量 摘要: 分布,利用 探针对射频(13.56 MHz)感应耦合等离子体 分布,利用 Langmuir 探针对射频(13.56 MHz)感应耦合等离子体 等离子体沿轴向和径向参数变化。再 进行了诊断,给出了 Ar 等离子体沿轴向和径向参数变化。再采用发 (OES) 射光谱 OES) (OES 测量等离子体中氩原子的发射谱线强度随气压在变化。 在放电室中上部形成了均匀稳定的高密度等离子 从测得的结果可知: 体,在靶附近有所降低,在中部以下等离子体密度逐渐 变低;在径向 6~7 cm 以内的区域等离子体参数变化不大,形成了均 匀稳定的等离子体,等离子体参数在器壁处 匀稳定的等离子体,等离子体参数在器壁处 (要修改的) 变化明显。 关键词:感应耦合等离子体 Langmiur 探针 发射光谱 等离子体参数 1 引言 感应耦合射频放电能在低压下( 产生高密度(10 感应耦合射频放电能在低压下(甚至低于 1 Pa) 产生高密度(1010~ 等离子体。因为 因为感应耦合等离子体是一种低气压、高密度 1012 cm-3 ) 等离子体。因为感应耦合等离子体是一种低气压、高密度 等离子体,采用无电极放电产生。因此在材料处理方面, 等离子体,采用无电极放电产生。因此在材料处理方面, 感应耦合等 因此在材料处理方面 离子体( 与传统的方法相比有技术上的优势, 如表面修饰, 离子体( ICP) 与传统的方法相比有技术上的优势, 如表面修饰, 刻蚀 [1虽然近年来,对感应耦合等离子体源 近年来,对感应耦合等离子体源产生的等 和薄膜沉积方面[1-3 ] 。虽然近年来,对感应耦合等离子体源产生的等 离子体参数做了很多工作,等离子体产生的机制是相同的,但 离子体参数做了很多工作,等离子体产生的机制是相同的,但由于产 是相同的, 生等离子体的各个系统的结构和大小不同, 工作气体类型和气压也不 生等离子体的各个系统的结构和大小不同, 相同,因此等离子体参数相差较大,可比性差。为了对射频感应耦合 相同,因此等离子体参数相差较大,可比性差。为了对射频感应耦合 等离子体参数相差较大,可比性差。为了 等离子体如离子密度 ni、电子温度 更深入 等离子体如离子密度 ni、电子温度 Te 和等离子体电势 Vp 做更深入 探针和 的了解,利用 的了解,利用 Langmiur 探针和 OES 光谱法对等离子体参数进行诊断分析。 年代,Langmuir 探针就开始应用于等离子体的诊断. 早在 20 年代,Langmuir 探针就开始应用于等离子体的诊断.由于 探针能在大的条件范围工作,与等离子体直接接触, 探针能在大的条件范围工作,与等离子体直接接触,而且能对等离 子体的各个部位进行测量, 子体的各个部位进行测量,所以探针诊断得到了广泛的应用。随 着等离子体放电技术的不断改进,探针的诊断技术也 着等离子体放电技术的不断改进,探针的诊断技术也在不断地改 探针进行诊断时, 进。实验中在应用 Langmuir 探针进行诊断时,得到 曲线: 的是探针的 I-V 曲线 探针的 I-V 特性曲线 Ieo 电子饱和电流 Ip 探针电流 Iio 电子饱和电流 Vp 探针电位 三个区域,A 图 1 中将探针特性曲线分成了 A、B、C 三个区域,A 区被称为饱和 离子电流区,B 区被称为过渡区,C 区则为饱和电子电流区。 离子电流区,B 区被称为过渡区,C 光发射谱(OES) 光发射谱(OES) 是广泛的研究放电的技术。它具有简单 和对等离子体无干扰性的特点[ 因为发射光谱法是一种无污染、 和对等离子体无干扰性的特点[4 ] 。因为发射光谱法是一种无污染、 设备简单、易于控制的等离子体诊断方法。所以本文采用发射光谱技 设备简单、易于控制的等离子体诊断方法。所以本文采用发射光谱技 所以 射频感应耦合等离子体发射光谱的三种谱线强度进行分 合等离子体发射光谱的三种谱线强度 术对 ICP 射频感应耦 合等离子 体发射光谱的 三种 谱线强度 进行分 析。 2 实验装置 图 2 实验装置示意图 实验装置图。射频电源为SY型射频功率源, SY型射频功率源 图2 为ICP 实验装置图。射频电源为SY型射频功率源, 输出功率范围为0 输出功率范围为0~1 kW , 射频电源通过匹配电路与放电室 相连, 相连, 通过调节匹配网络使功率反射降低至最小。实验采用 柱面天线耦合, 天线由四匝空心铜管绕制而成, 柱面天线耦合, 天线由四匝空心铜管绕制而成, 在管内通冷 却水以降低射频电流加热造成的天线的升温。放电室为高 mm、直径 、直径160 400 mm、直径160 mm 的石英玻璃筒。装置系统主要放置在 不锈钢制成的屏蔽室之内, 不锈钢制成的屏蔽室之内, 以降低射频电磁场对其他测量仪 器和电路的影响。抽气系统由2XZ器和电路的影响。抽气系统由2XZ-2 型旋片线XZ KYKYFKYKYF-100/ 型涡轮分子泵组成, 放电气体Ar气通过D07 Ar气通过D07110 型涡轮分子泵组成, 放电气体Ar气通过D07-7B/ 7M 型质 量流量计进入放电室, 气压值由DL DL量流量计进入放电室, 气压值由DL-90 型复合真空计给出。 其中单探针诊断系统:由ATTEN牌 60~ 60可调的电源、 其中单探针诊断系统:由ATTEN牌-60~+60可调的电源、 ATTEN Langmiur探针、毫安表及电压表组成。 Langmiur探针、毫安表及电压表组成。 图2中的发射光谱用WDS8A 型组合式多功能光栅光谱仪测 中的发射光谱用 量如图2中发射光谱, 量如图2中发射光谱, 从光谱窗探测的光谱为等离子体鞘层附近 区域发射光谱, 单色仪的光栅为2 区域发射光谱, 单色仪的光栅为2 400 条·mm- 1 , 闪耀波长为 通过光纤探头接收等离子体中的光信号。 350nm , 通过光纤探头接收等离子体中的光信号。 光纤探头收集 到的光信号由光纤传输至单色仪进行分光, 到的光信号由光纤传输至单色仪进行分光, 分出的单色光输出 经过光电倍增管(R928) 转变为电信号, 光谱电信号脉冲通过设 经过光电倍增管(R928) 转变为电信号, 光谱电信号脉冲通过设 定记录电路的积分时间而得到多脉冲平均输出, 定记录电路的积分时间而得到多脉冲平均输出, 最后由计算机 采集数据。 实验中, 工作气体为纯度99 99. %的Ar气 本底线 实验中, 工作气体为纯度99.99 %的Ar气,本底线 × ,通过改变质量流量计的流量来控制线 Pa ,通过改变质量流量计的流量来控制真空室内的工作气 实验时的工作气压为0.05Pa 0.1Pa、0.25 Pa、0.5Pa 0.05Pa、 Pa,放 压, 实验时的工作气压为0.05Pa、0.1Pa、0.25 Pa、0.5Pa,放 电功率为分别为30W、75W、120W 180W。 电功率为分别为30W、75W、120W、180W。 分别为30W 3 实验结果及讨论 等离子体参数轴向分布 3.1 等离子体参数 在实验中经过上下移动探针,测量图 所示的在 在实验中经过上下移动探针,测量图 2 所示的在真空室 上下移动探针,测量 h=0.5cm、 .5cm h=3cm、 h=3cm、 h=7cm、 h=10cm、 h=14cm、 轴向距离样平台 h=0.5cm、 h=7cm、 h=10cm、 h=14cm、 h=17cm, 0.5pa,功率为 h=17cm,六个不同位置的等离子体参数在压强为 0.5pa,功率为 轴向的变化情况。如图 变化情况 120w 轴向的变化情况。如图 3 所示 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 -3 r=0 r=a/3 r=2a/3 r=a Ni/10 cm 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 2 4 6 8 10 12 图 3 等离子体密度在轴向的变化 3.2 等离子体参数的径向变化 10 2.4 2.2 2.0 1.8 -3 h=0.5cm h=3cm h=7cm h=10cm 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0 1 2 3 4 5 6 Ni/10 cm 10 R/cm 3.3 等离子参数与功率的关系 3.4 等离子体参数与气体压强的关系 3.4 光谱分析 4 结论 参考文献: [1] Qayyum A , Zeb Shaista , Naveed M A , et al . J . Appl . Phys. , 2005 , 98 : 103303. [2] Zhu Ximing , Pu Yikang. Phys. Plasmas , 2005 , 12 : 103501. [3] Lee Minhyong , Chung Chinwook. Appl . Phys. Lett . , 2005 , 87 : 131502. [4] YU Wei , WANG Baozhu , YANG Yanbin , et al (于 威, 王保 柱, 杨彦斌, 等) . Acta Phys. Sin. (物理学报) , 2005 , 54 : 2394.


 
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