（光学专业论文）等离子体喷束及其光谱诊断的研究.pdf

论文摘要 等离子体喷束可以为新材料的合成提供新的方法，在金属表面处理及高分子 材料表面镀膜等方面有十分重要的意义。气体放电作为获得等离子体的一种主要 途径，在民用和工业中得到了越来越多的应用。等离子体的光谱不介入诊断在这 些相关领域具有重要的基础和应用意义。 本文总结了应用双原子分子发射光谱和原子发射光谱进行等离子体诊断的 原理和实现方法，针对不同的分辨率的光谱，提出了不同的振转温度测量方法， 并编写了相应的计算程序。本文还利用浓度调制光谱的1 p e r 检测提出了放电特 性的检测方法。浓度调制光谱技术是以瞬态分子的浓度正比于放电电流幅度的绝 对值为依据，即为瞬态分子的浓度调制频率是放电频率厂的2 倍。而在本实验采 用喷束放电的条件下，使用l 厂和z 厂均能检测到信号。原因是放电并不是连续进 行，而是在每个周期的负半周发生一次脉冲形式的放电，通过对脉冲信号作频谱 分析发现除了基波外还含有丰富谐波成分，因此采用l 厂和可都能解调出光谱信 号。本文对这种旌加连续电压却发生脉冲式放电的现象给出了合理的解释。 本文包括l o 章和一个附录，主要结果如下： 建立了一套交流放电产生n 2 等离子体喷束的装置。该装置可对氮气、氧气 和氩气等进行高达15 k v 连续放电。采用浓度调制光谱技术对放电辉光光谱进行 探测。以n ：为例，束流中n ：n ，高达6 ：l ，优于通常的离子束源。根据其发射 谱，对交流放电过程和浓度调制光谱进行了研究，并计算了分子离子激发态振动 温度和转动温度，分别为3 3 1 0 k 和2 8 2 k 。通过对氩气的交流放电产生的光谱测 量，得到了离子喷束的电子激发温度和电子密度分别为1 8 7 1 4 k 和1 3 7 x 1 0 1 6 锄弓。 探测了喷束流不同位置n 2 为母体的等离子体的发射光谱，通过测得的光谱 数据分别计算了n 2 和n 2 + 的激发态振转温度，发现n 2 激发态振动温度和n 2 + 的 振动及转动温度沿着束流方向呈现首先降低继而升高的非单调特性。根据实验条 件建立理论模型，对实验数据进行了拟合，分析了其变化规律和产生机理。论文 还研究了束流中n 2 + n 2 比例变化过程，发现沿着束流方向该比值逐渐升高，并 结合实验装置进行讨论。 当放电峰峰电压v p p 大于9 6 k v 时，氮离子分子以脉冲形式产生，且每个放 电电压周期产生一次。此时监测交流放电电流上有一反向电流尖峰，该电流尖峰 是等离子体喷束中氮离子分子惯性运动形成的，其强度与浓度调制光谱的强度成 正比。根据浓度调制光谱的l 矽检测，提出了一个理论模型，解释了上述现象， 并得到了实验结果进一步证实。 为了探讨交流放电发射光谱强度随不同电压和气体压强变化的机理，测量了 玻璃管中放电频率2 0 k h z 时氮气的介质阻挡放电光谱。实验记录了n 2 的 c 3 n 广书3 9 3 5 7 7 r i m 和n 2 + 的b 2 l 。+ _ - x 2 y g + 3 9 1 4 r i m 的跃迁谱线光谱强度随不同 电压和气体压强变化规律。实验数据显示，保持气体压强p = 1 3 0 p a 不变，在电压 较低时，光谱强度随电压增长较快，在电压较高时，光谱强度增长较慢；保持放 电电压u - - 6 4 k v 不变，光谱强度随气压增长逐渐变小。根据电子和分子碰撞激 发函数和电离函数，建立光强随放电参数变化的物理理论模型和公式，并对实验 数据进行最小二乘拟合，拟合曲线与实验结果符合较好，相关系数r 0 9 。从而 进一步明确了等离子体发射光谱强度随不同电压和气体压强变化的机理。 利用浓度调制光谱技术测量甲醇交流放电分解产物的发射光谱，在3 0 0 r i m - 7 0 0 r i m 之间主要观测到激发态c o 分子的b 1 + 一a1 ha n g s t r o m 跃迁带、激发态 c h 分子4 3 0 r i m 附近的a 2 a x 2 n 跃迁带系和3 9 0 r i m 附近的b 2 - _ - x2 跃迁带 系以及c h o ( 3 2 9 8 2 r i m ) 、c h 2 0 ( 3 6 9 8 r i m ) 、c h 3 0 ( 3 4 7 8 r i m ) 、h ( 巴末耳线系) 的 发射谱线。通过光谱强度分析得到，c o 激发态b 1 矿的振动温度达1 6 3 8 k ，c h 激发态a 2 的振动和转动温度分别为4 2 0 0 k 和1 1 0 0 k 。改变放电电压和样品气 压，测量c o 、c h 和h 的发射光谱强度的变化关系，发现增加放电电压或减少 样品气压，c o ( b 1 + ) 和n ( 6 5 6 n m ) 的发射光谱强度比c h ( a 2 a ) 发射光谱强度 增加的快，从而进一步讨论了甲醇交流放电解离通道和产氢机制。 关键词等离子体喷束光谱诊断；浓度调制光谱技术；氮分子；氮离子分子；氧 分子；氧离子分子；c h 分子：甲醇分子；电子激发温度；电子密度： 振动温度；转动温度；电离函数，激发函数 n a b s t r a c t p l a s m aj e tp r o v i d e dan e wm e t h o df o rs y n t h e s i so fn e wm a t e r i a l s ；i tw a s a p p l i e di ns u r f a c et r e a t m e n to fm e t a l sa n ds u r f a c ec o a t i n g g a s e o u sd i s c h a r g e ， a sam e a np a t ho fo b t a i n i n gp l a s m a ，p l a y e dam o r ei m p o r t a n tr o l ei nb o t hc i v i l a n di n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s a c c o r d i n g l y , o p t i c a ld i a g n o s t i c sa san o n - i n t r u s i v e m e t h o dh a si m p o r t a n tf o u n d a t i o na n da p p l i c a t i o ns i g n i f i c a n c ei nt h er e l a t e d a r e a s o n eo ft h ef o c u s e so ft h i sd i s s e r t a t i o ni st od e s c r i b et h ee m i s s i o no p t i c a l s p e c t r o s c o p yo fl o wp r e s s u r edi s c h a r g ep l a s m a sa n dp r e s e n t st h el a w s o b s e r v e db yt h ec o r r e s p o n d i n gp r o c e s s e si nt h ep l a s m a s s o m ed i a g n o s t i c m e t h o d sb a s e do np l a s m as t a t i c - e l e c t r i c i t ya n ds p e c t r o s c o p ya r et h e o r e t i c a l l y o u t l i n e da tf i r s t ，a n dt h e ns o m ei n v e s t i g a t i o n sa r et h e o r e t i c a l l ym a d eo nt h e a p p l i c a b i l i t yo ft h ed i a g n o s t i cm e t h o d s a sr e s u l t so ft h ei n v e s t i g a t i o n s ，s o m e n e wa n a l y t i c a im e t h o d so fv i b r a t i o n r o t a t i o nt e m p e r a t u r ea r ed e r i v e df o r d i f f e r e n tr e s o l v e ds p e c t r a la n ds o m es p e c t r a ls i m u l a t i o nw a sm a d eb yr e l e v a n t c a l c u l a t i o np r o g r a ma n dan e wd i a g n o s t i cm e t h o do fd i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c b a s e do nt h e1 f ，2 fd e t e c t i o no fc o n c e n t r a t i o nm o d u l a t i o nh a v eb e e na c h i e v e d u s u a l l yi tw a st h o u g h tc o n c e n t r a t i o nm o d u l a t i o ns p e c t r o s c o p i ct e c h n i q u e i sb a s e do nt h a tt r a n s i e n tm o l e c u l a rc o n c e n t r a t i o nw a sj nd i r e c tr a t i oo ft h e a b s o l u t ev a l u eo fd i s c h a r g ec u r r e n t - - t h a ti st os a ym o d u l a t i o nf r e q u e n c yo f t r a n s i e n tm o l e c u l e sc o n c e n t r a t i o ni st w i c et h ed i s c h a r g ef r e q u e n c yf h o w e v e r , i no u re x p e r i m e n tt h es i g n a lc o u l db ed e t e c t e du s i n gb o t hifa n d2 f t h er e a s o nw a st h ed i s c h a r g ew a sn o tc o n t i n u o u s ，b u to c c u r r e da sap u l s e o n l yo n c ei ne v e r yn e g a t i v eh a l fc y c l e f o u r i e rt r a n s f o r ma n a l y s i sw a s o p e r a t e do nt h es i g n a lp u l s e 。i tw a s f o u n dt h a tb e s i d e st h eo r i g i n a lf r e q u e n c y , t h e r ew e r eal a r g ea m o u n to fh a r m o n i cf r e q u e n c yc o m p o s i t i o n s s ot h e o p t i c a ls i g n a lc o u l db ed e m o d u l a t e du s i n gb o t h i fa n d 红t h er a t i o n a l e x p l a n a t i o nw a sg i v e n f o rt h e p h e n o m e n at h a t t h ep u l s e d d i s c h a r g e p r e s e n t e dw i t hc o n t i n u o u sa cv o l t a g e t h ed i s s e r t a t i o ni sc o m p o s e do f10 c h a p t e r sa n do n ea p p e n d i x t h em a i n r e s u l t so ft h ed i s s e r t a t i o na r e ： an e w e q u i p m e n to fa cd i s c h a r g ew a sd e v e l o p e df o rp r o d u c i n gm o l e c u l a r i o nb e a m t h en 2 ，0 2 a n da rp l a s m aj e tw a sg e n e r a t e df r o man o z z l eu s i n ga n a cd i s c h a r g eo fa b o u t1 5 k v av e r yh i g hr a t i oo fn ；n2 ，u pt 06 ：1w a s a c h i e v e di nn 2d i s c h a r g e ，w h i c h i sm u c hh i g h e rt h a nt h a to b t a i n e dw i t h c o n v e n t i o n a ln i t r o g e ni o ns o u r c e t h ee f f e c t sa n dp r o c e s s e so fn 2d i s c h a r g e a n dc o n c e n t r a t i o nm o d u l a t i o ns p e c t r o s c o p yw e r es t u d i e di n n 2d i s c h a r g e 。 t h ev i b r a t i o n a it e m p e r a t u r ea n dr o t a t i o n a it e m p e r a t u r eo fn ：m o l e c u l a ri o n s b e a me x c i t e dw a sc a c u l a t e da s3 3 10 k a n d2 8 2 kf 恼mt h ee m i s s i o ns p e c t r a t h es p e c t r a li n t e n s i t i e sa n dw i d t ho fs o m ea rl i n e sp r o d u c e di np l a s m aj e t w a sa d o p t e dt oc a l c u l a t et h ee l e c t r o nt e m p e r a t u r ea n de l e c t r o nd e n s i t y i ti s r e s p e c t i v e l y1 8 7 1 4k a a d l 3 7 x 1 0 1 6 6 i n - 3 n o n m o n o t o n i cc h a r a c t e r i s t i c sw a sf o u n dt h a tt h ev i b r a t i o n a lt e m p e r a t u r e d e c r e a s e df i r s ta n dt h e ni n c r e a s e da l o n gt h ed o w n s t r e a mf 内mt h en o z z l eb y m e a s u d n gt h ee m i s s i o ns p e c t r u mf 而mt h ed i f f e r e n ta x i a lp o s i t i o ni nt h ej e t o n t h eb a s i so fe x p e n m e n tc o n d i t i o nat h e o r e t i c a lm o d e lw a s p r e s e n t e dt of i tw i t h e x p e d m e n t a id a t a m e a n w h i l e ，t h ev i b r a t i o n a it e m p e r a t u r ev a r i a t i o nw i t ht h e d i f f e r e n ta x i a lp o s i t i o nza n di t sg e n e r a t i o nm e c h a n i s mi sa n a l y z e d t h en 2 + n 2r a t i ov a d a t e da l o n gt h ea x i sa n dt h ep r o p e r t yo fd i s c h a r g ei nt h e e x p e n m e n t a ls y s t e mw a ss t u d i e d t h ed y n a m i cs t u d yo ft h eg e n e r a t i o no ft h en i t r o g e nm o l e c u l a ri o n s p r o d u c e di nt h ea cd i s c h a r g eo fc wn i t r o g e nj e tb yt h em e a n so ft h e c o n c e n t r a t i o nm o d u l a t i o ns p e c t r o s c o p yw a sp r e s e n t e d u n e x p e c t e d l y , t h e n i t r o g e ni o n sw a sg e n e r a t e di np u l s em o d ew h e nt h ed i s c h a r g ev o l t a g ew a s h i g h e rt h a n9 6k v ( p e a k - t o - p e a k ) ，a n dt h em o l e c u l a ri o n sp u l s ea n s e do n l yi n e v e r yn e g a t i v ec y c l eo ft h ed i s c h a r g e ，m e a n w h i l ea no p p o s i t ep e a ka p p e a r e d i nt h ed i s c h a r g ec u r r e n ts i n ew a v e f o r m t h i sp e a kw a sf o r r n e db yt h ei n e r t i a m o v e m e n to fe j e c t i n gn i t r o g e ni o ni nj e t a d d i t i o n a l l y , t h ei n t e n s i t yo ft h ei o n s w a sf o u n dt ob ep r o p o r t i o n a lt ot h ea r e ao ft h i so p p o s i t ep e a k t h i sp h e n o m e n a w a si n t e r p r e t e db yap r o p o s e dt h e o r e t i c a lm o d e ib a s e do nt h e1f 2 fd e t e c t i o n o fc o n c e n t r a t i o nm o d u l a t i o n s p e c t r o s c o p ya n df u r t h e rc o n f i r m e db yt h e e x p e n m e n t s i no r d e rt op r o b ei n t ot h ed e p e n d e n c eo ft h ee m i s s i o ns p e c t r a li n t e n s i t yo n d i s c h a r g ev o l t a g ea n dg a sp r e s s u r e 。t h en 2s p e c t r a li ng l a s sc a p i l l a r yb y d i e l e c t r i c a lb a r r i e rd i s c h a r g ea td i s c h a r g ef r e q u e n c y2 0 k h za r em e a s u r e dv i a c o n c e n t r a t i o nm o d u l a t i o ns p e c t r o s c o p y t h es p e c t r a ll i n ea t3 5 7 7 n m0 f i v n 2 c 3 几u - _ b 3 门ga n da t3 9 1 4 n mn 2 + b 2 z u + _ x 2 z g + w a sr e c o r d e de x p e d m e n t l yt o s t u d yt h ed e p e n d e n c eo fi t st h ee m i s s i o ns p e c t r a li n t e n s i t yo nd i s c h a r g e v o l t a g ea n dg a sp r e s s u r e t h em e a s u r e d r e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e n s i t y i n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n gd i s c h a r g ev o l t a g ea tl o w e rv o l t a g e ，b u ti n c r e a s e s s l o w l ya th i g h e rv o l t a g ef o rc o n s t a n tg a sp r e s s u r ep = 13 0 p a ；a n dt h ei n t e n s i t y d e c r e a s e sw i t h i n c r e a s i n gg a sp r e s s u r e a tc o n s t a n td i s c h a r g ev o l t a g e u = 6 5 k v f u r t h e r m o r e ，at h e o r e t i c a lm o d e lw a sp r o p o s e da c c o r d i n gt o e l e c t r o n i c e x c i t a t i o nf u n c t i o na n di o n i z a t i o nf u n c t i o n ，w h i c hc a n b a s i c a l l y i n t e r p r e tt h er e l a t i o no fs p e c t r a li n t e n s i t yv a n n gw i t hd i s c h a r g ev o l t a g ea n dg a s p r e s s u r e ，g o o d l y f i tt h ee x p e r i m e n t a ld a t ab yan o n l i n e a rl e a s ts q u a r e f i t t i n g ，t h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tr 0 9 t h em e c h a n i s mo ft h ed e p e n d e n c eo f t h ee m i s s i o ns p e c t r a li n t e n s i t yo nd i s c h a r g ev o l t a g ea n dg a sp r e s s u r ei nt h e d i s c h a r g ep l a s m aw a s r e v e a l e df u r t h e r t h ei n t e r m e d i a t ed e c o m p o s i t i o np r o d u c t so fm e t h a n o l ( c h 3 0 h ) i na na c d i s c h a r g e h a v eb e e n d i a g n o s t i c a t e d v i ac o n c e n t r a t i o nm o d u l a t i o n s p e c t r o s c o p y s e v e r a lm a i n v i b r a t i o n a lb a n d so fc oa n g s t r 6 mb 1 乏十 i a ln s y s t e m ，c ha 2 好n s y s t e ma t4 3 0 n ma n db 2 一- x2 na t3 9 0 n m ，a s w e l la sc h o ( 3 2 9 8 2 n m ) ，c h 2 0 ( 3 6 9 8 n m ) ，c h 3 0 ( 3 4 7 8 n m ) a n db a l m e rs e n e s s p e c t r ao fha t o ma r ei d e n t i f i e di nt h er e g i o nb e t w e e n3 0 0 n ma n d 6 7 0 n m f u r t h e r m o r e ，t h ed e p e n d e n c e so ft h ee m i s s i o ns p e c t r a li n t e n s i t i e so f t h ei n t e r m e d i a t ed e c o m p o s i t i o np r o d u c t so nt h ed i s c h a r g ev o l t a g ea n dp a r e n t g a sp r e s s u r ea r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l t h ee x p e n m e n t si n d i c a t e dt h a tt h e r e l a t i v e p o p u l a t i o nr a t i oo fc o ( b z + ) a n dhi n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n g d i s c h a r g ev o l t a g e m o r eq u i c k l yt h a nt h a to fc h ( a 2 & ) s e v e r a lp o s s i b l e r e a c t i o np a s s a g e sa r eg i v e na n dd i s c u s s e d a d d i t i o n a l l y , t h ev i b r a t i o n a la n d r o t a t i o n a lt e m p e r a t u r e so fc h ( a 2 ) w e r ed e t e r m i n e dt ob ea b o u t4 2 0 0 ka n d 110 0 kr e s p e c t i v e l y , a n dt h ev i b r a t i o n a lt e m p e r a t u r e so fc o ( e z + ) w e r e d e t e r m i n e dt ob ea b o u t2 5 0 0 kb ya n a l y z i n gt h ei n t e n s i t yd i s t r i b u t i o nu s i n g l i f e b a s ec o m p u t e rp r o g r a m t h ed e c o m p o s i t i o nm e c h a n i s mo fm e t h a n o li n t h ed i s c h a r g ep l a s m aw a sd i s c u s s e di nt h i sp a p e ra sw e l l k e y w o r d sp l a s m aj e t s p e c t r a ld i a g n o s t i c s ；c o n c e n t r a t i o n m o d u l a t i o n s p e c t r o s c o p i ct e c h n i q u e ；e m i s s i o ns p e c t r o s c o p y ；d i s c h a r g ec u r r e n tp e a k ； p l a s m ad i a g n o s t i c s ；n i t r o g e n ；o x y g e n ；a r g o n ；c hm o l e c u l e ；m e t h a n o l ；h 2 v g e n e r a t i o n ；e l e c t r o ne x c i t a t e dt e m p e r a t u r e ；v i b r a t i o n a lt e m p e r a t u r e ；r o t a t i o n a l t e m p e r a t u r e ；e l e c t r o nd e n s i t y ；e x c i t a t i o nf u n c t i o n ；i o n i z a t i o nf u n c t i o n v l 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果据我所知，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： 学位论文使用授权声明 日期： 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版保密的学位论文在解密后适用本规定 学位论文作者签名： 导师签名： 日期： 日期： 、 荔l 炫芝 i 纠 第一章绪论 第一章绪论 等离子体是除固、液、气三念以外的物质存在的第四种状态，它是气体分 子受热、电场、辐射等外加能量激发而离解、电离形成的中性的原子或分子、激 发念的原子或分子、自由基、电子和正负离子以及辐射光子等组成的集合体，因 其正负电荷总量相等而称为等离子体。 自1 8 3 5 年法拉第开始研究气体放电的基本现象至今，人们意识到等离子体 的存在已经有两个多世纪。随着人们对等离子体物理现象的观察和研究的不断深 入，等离子体科学的内涵已经变得十分广泛，其分支越来越丰富，已扩展到自然 科学和工程技术的各个领域，主要包括受控热核聚变等离子体物理、空间与天体 等离子体物理、低温等离子体物理、宇宙物理学、放电物理学、大气物理学等。 其研究成果丰富了等离子体物理学的内容，同时也促进了实验等离子体物理学的 发展，由于其显著的优越性，等离子体技术已被广泛地应用于激光器、光源照明、 能源、物质与材料加工、环保与宇宙科学、化学合成、表面处理、薄膜制备等诸 多领域。相应地，等离子体诊断的原理和技术也获得了长足发展，进而它又促进 了等离子体技术的发展与应用，取得了令人瞩目的发展眨。 1 1 等离子体内部特性的表征 等离子体是由带电粒子和中性粒子组成的表现出集体行为的一种准中性气 体【l 】。集体行为的含义是，在等离子体中，长程电磁力使得带电粒子的运动不仅 与临近的粒子有关，而且受到远处带电粒子的影响；准中性一方面是指总体上正 负电荷量大致相等，另一方面指，当出现电荷的局部集中或者在系统中引入外电 势时，电子很快响应，使得外电势被屏蔽在德拜长度h 大小的范围内，而等离 子体的大部分免受大电势的影响。 等离子体作为一种由大量微观粒子组成的热力学体系，其中热运动和电磁作 用过程共存，能够对电场和磁场作出响应【4 , 5 1 。描述其热力学性质的物理量温 度就表现出相当的复杂性。若放电是在接近大气压的高气压下进行，那么电子、 离子和中性粒子会通过激烈碰撞充分交换动能，从而使等离子体达到热平衡状 态。若电子、离子和中性粒子的温度t e ，t i ，t n ，近似相等，即t 阿i 钉n ，我 们称之为热等离子体。而在数百帕以下的低气压等离子体通常处于非热力学平衡 第一章绪论 状态。此时，电子在与离子或中性粒子的碰撞过程中几乎不损失能量，所以各种 粒子处于自身的热力学平衡中，它们具有不同的温度，t e t i ，t e t n ，我们 把这样的等离子体称为冷等离子体 冷等离子体的突出特点是电子温度高达1 0 4 k 以上，而其中的中性粒子、离 子的平动、转动温度一般却接近于室温。冷等离子体的这种非平衡性意义重大： 一方面，电子具有足够高的能量，通过非弹性碰撞使气体分子激发、离解和电离； 另一方面，整个等离子体体系又可以保持低温，能够实现化学反应和能量的有效 利用。这样降低了对设备的要求，节约了能源且实验条件也容易实现，使应用范 围更广，具有其他方法无可比拟的优越性。一般等离子体化学合成涉及的是冷等 离子体。 等离子体中存在电子、离子和中性粒子等，它们的密度分别为n e ，n i ，n n ， 由于n 萨n i ；( 准电中性) ，我们定义电离度p = - n e 4 n e + n n ) ，以此来衡量等离子 体的电离程度。日冕、核聚变中的高温等离子体的电离度都是1 0 0 ，像这样肛1 的等离子体称为强电离等离子体；而火焰中的等离子体大部分是中性粒子 ( p 1 0 3 ) ，称之为弱电离等离子体【钥。 等离子体的基本特征还表现在它与其它物质形态的作用过程嘲。电磁波与等 离子体间的作用不仅影响等离子体的电磁过程，而且影响其中的能流过程。等离 子体波动的非线性和非稳定性是这种复杂性的集中体现。例如，等离子体受高频 波的激发可以分为三种类型【9 】：1 电容耦合，主要利用静电场来加速带电粒子，呈 现出电场激发过程，2 感应耦合，主要利用感应电场，呈现出磁场激发，3 电磁 波耦合，主要利用电磁波成分并供给等离子体能量，呈现出螺旋波激发。电磁波 在等离子体中可能发生传播、共振或截至现象。离子体对电磁波的散射和吸收过 程已成为等离子体诊断的重要工具。固体材料与等离子体的作用过程中，除了鞘 层形成外，对材料表面的刻蚀f 1 0 】、溅射【1 1 】、加热【1 2 】，注入【1 3 】和化学生长过程【1 4 】 是等离子体材料特征的主要表现形式。 等离子体还表现出能量转化和物种转化特性。光发射和化学反应过程是最重 要的过程1 1 5 】。等离子体是一个含大量激发念基团和自由基的富能系统，富能物 种成为光发射的辐射源，同时又是激发化学反应的活化物种。 1 2 等离子体的产生 2 第一章绪论 获得等离子体的方法和途径是多种多样的。通常把在电场作用下气体被击穿 而导电的物理现象称之为气体放电【l6 1 如此产生的电离气体叫做气体放电等离 子体。按所加电场的频率不同，气体放电可分为直流放电、低频放电、高频放电、 微波放电等多种类型。而直流( d c ) 放电因简单易行，对工业装置来说可以施加很 大的功率，所以至今仍被广泛采用。 直流辉光放电根据放电中占主导地位的基本过程及放电时的特有现象对气 体放电形式可分为汤生放电、电晕放电、辉光放电、弧光放电、无声放电( 介质 阻挡放电) 、射频放电和微波放电等【1 5 1 。辉光放电可在低电压下发生，但需要较 低的放电气压，电子能量低。辉光放电既可提供反应活性物种或作为化学反应的 介质，同时又能使体系保持非热平衡状态，这对低温等离子体化学来说是至关重 要的。以致于在溅射、等离子体刻蚀、等离子体化学气象沉积等许多应用领域， “辉光放电”几乎是“低温等离子体”的同义语。电晕放电可利用非对称电极在常压 下放电产生等离子体，但难以获得大体积的等离子体；无声放电则结合了前2 者的优点，常压下产生大量的低温等离子体；射频放电和微波放电属无电极放 电，在低气压下进行，可获得纯净的等离子体【1 7 1 。 辉光放电、电晕放电常见于科学研究，而无声放电已成功应用于臭氧的 生产。 表1 气体放电等离子体的特性参数 气体压强p a 电场强度( v c m 。1 ) 电子能量e v 电子密度c m 。 电离度 辉光放电 1 0 3 l o 0 5 2 1 0 s - - 1 0 l l 1 0 - 6 - 1 0 5 电晕放电 1 0 5 5 0 0 - - - 5 x 1 0 4 ， 5 1 0 1 3 ， 小， 无声放电 1 0 5 可变化1 0 2 , - , 1 0 s l 1 0 可变化1 0 1 4 可变化1 0 r 4 1 3 等离子体诊断方法的分类及其发展 研究等离子体有三种研究手段，它们是实验诊断、理论解析和数值模拟。由 于等离子体中的物理化学过程极其复杂，各粒子之间发生碰撞、激发、电离和辐 射，同时还时刻处于无规则热运动、扩散运动、漂移运动之中。另外产生等离子 体的方式的多样性、放电反应器的复杂性、气体压强的宽泛性、气体种类的不同， 第一章绪论 也使得理论解析以及计算机数值模拟很难准确地获得等离子体的各种参数，这就 显现了等离子体实验诊断的极端重要性【l 引。 等离子体诊断就是通过各种光学、磁学及电学手段，对等离子体过程中发生 的物理、化学过程进行监测和分析，其目的就是弄清等离子体内部电子和离子的 状态及特性，诸如电子和离子的密度和温度、电流和电磁场的空间和时间分布、 各种输运、波动和不稳定性、辐射等运动状态，以及在等离子体中各种反应粒子 的变化与转化、它们之间的关系等，从而推断等离子体工艺的各种特性参数。因 此，利用等离子体诊断手段对等离子体过程进行监测和分析，可以深入地了解等 离子体运行机理。在材料和器件的制备中，研究等离子体沉积过程中的成膜机理 和刻蚀过程中的刻蚀机制，从而找到最佳的工艺条件，实现器件或薄膜的高性能 以及快速的产生速率。 等离子体诊断可以分为被动和主动两大类。被动的方法是测量等离子体发射 的电磁波和粒子；主动诊断方法是由外部射入电磁波或粒子束，并测量等离子体 的响应。典型的诊断方法有朗缪尔探针法、微波诊断、等离子体质谱法、等离子 体放电的顺磁共振诊断、发射光谱、吸收光谱、激光诱导荧光、激光诱导预解离 荧光等。 按功能分，实时、原位的等离子体诊断分为三种：一是对等离子体中的基本 参数( 如电子和离子的温度及密度、鞘层电位) 的测定。这时等离子体被看作是一 种静电体系、光学介质，可以用静电探针和波谱( 微波、激光) 探针来诊断；二是 对等离子体中粒子的物种诊断( 如原子、自由基、离子及其激发态等) ，这时等离 子体被看成是一种化学体系，可用吸收光谱( 红外及紫外光谱【1 们、拉曼光谱【2 0 】、 激光诱导荧光、光腔衰荡光谱和分子束质谱诊断【2 1 】：三是既能诊断等离子体的 参量又能探测活性物种，这时等离子体被看作为一种辐射光源，可以用发射光谱 诊断，发射光谱一般只能诊断激发态物种，同时对光谱的解析还能获得诸多等离 子体参数的信息。 使用最多的、最广泛的是各种静电探针法、光谱学方法、质谱学方法和微波 探针法。因为这些方法的诊断功能强、适用范围广、操作相对简单、获得的信息 丰富。下面主要介绍其中几种方法的发展历程和使用现状。 4 第一章绪论 静电探针法【2 2 】用的是等离子体中的静电现象。自从1 9 2 4 年l a n g m u i r 和 t o l l l ( 系统地提出单探针理论后【2 ”，探针就成为测量等离子体参量的重要工具。 它主要是利用探针附近的静电场与等离子体的相互作用而引起的电荷重新分布 所形成的探针电流变化作为诊断依据。根据需要发展了单收集探针【2 4 】、悬浮双 探针【2 5 1 、发射探针【2 6 】以及差分发射探针【2 7 ，2 8 1 。它依赖测量的电流电压( i 特性曲线，对其进行处理，可以得到荷电粒子温度t 、电子密度n 、等离子体电 位v p 以及电子和离子束的能量等。但由于周围局部环境对探针收集电流引起干 扰，使得对l a n g m u i r 探针特性曲线的解释变得复杂化。另外，对于成膜过程中 的沉积基团和刻蚀过程中的刻蚀因子的确认和其浓度的测量，l a n g m u i r 探针便 显得一筹莫展。 波谱探针【2 】是以等离子体与电磁波的相互作用为基本理论依据。等离子体 是一种由带电粒子和中性粒子组成的体系，作为一种电磁场介质，能与从外面探 射进来的微波、激光等