（原子与分子物理专业论文）低温氢等离子体诊断.pdf

低温氢等离子体诊断 原子与分子物理专业 y 7 7 s 8 f l s 研究生：王加扣指导教师：孙卫国教授 螺旋波等离子体源作为逐渐发展起来的低气压、高密度的新等离子体源， 在超大规模集成电路工艺、微机电系统加工、新型薄膜材料及纳米材料制备、 材料表面改性以及气体离子激光器方面具有广泛的应用前景。本文进行了相关 研究，主要工作分为两部分：一部分是螺旋波等离子体化学气相沉积工艺系统 及其诊断装置的建立，包括静电探针理论设计与发射光谱诊断；另一部分是利 用上述装置产生螺旋波激发氢等离子体，通过发射光谱诊断了氢等离子体状 态，并研究了其随外部参数条件的变化。 本文第一章简要介绍了等离子体应用、几种等离子体源及等离子体诊断方 法。第二章则介绍了螺旋波等离子体的产生机理与实验装置。第三章则详细叙 述了本实验中的两种诊断方法及其装置：( 1 ) ，本实验参考了g o d y a k 和c h e n 提出的射频补偿探针理论，结合本实验中的螺旋波等离子体的特性设计了射频 补偿探针、相关实验电路和数据获取系统；( 2 ) ，本实验中用透镜成像系统进行 了空问分辨发射光谱的测量，首先利用单透镜成像系统将等离子体的光辐射成 像于单色仪狭缝上，滤波后通过光电倍增管进行信号放大，然后用微电流放大 器对信号再放大并将电流信号转换为电压信号，最后用数据采集卡采集数据， 通过调试、调用数据采集卡的d o 与a d 口，实现了单色仪分光与数据采集的 同步，得到了比较好的光谱数据。第四章利用上述系统产生螺旋波激发氢等离 子体，并对氢等离子体状态及其随外部参数条件的变化进行诊断：，通过研 究等离子体中的氢b m m e r 线系，分析了激发态氢原子随实验参数的变化及其 原因；，通过研究氢f u l c h e r 带系，用日冕模型分析了氢的激发态振动温度 和激发态振动分布，并分析了基态振动温度与氢f u l c h e r 带峰值强度比的关 系；，通过研究氢g b 跃迁带的转动谱分析了等离子体气体动力学温度。 本文所建立的螺旋波等离子体化学气相沉积工艺系统及其诊断装置为以 后的多种化学气楣沉积薄膜生长的机理研究奠定了基础。 关键词：等离子体诊断螺旋波等离子体化学气相沉积 l a n g m u i r 单探针 射频补偿探针 发射光谱氢等离子体 i i l o w t e m p e r a t u r eh y d r o g e np l a s m ad i a g n o s i s m a j o r ：a t o m i ca n d m o l e c u l a rp h y s i c s p o s t g r a d u a t e ：w a n gj i a k o u t u t o r ：p m f - s u nw e i g u o h e l i c o n w a v ep l a s m ai sak i n do fh i g hd e n s i t ya n d l o wp r e s s u r ep l a s m a t t h a sp r o s p e c t i v ea p p l i c a t i o n ss u c ha si nv i s i ( v e r yl a r g e s c a l ei n t e r g r a t i o n ) p r o c e s s ， m i c r o e l e c t r o n i c m e c h a n i cs y s t e mf a b r i c a t i o n ，l l e wt h i nf i l m m a t e r i a la n dn a n o m a t e r i a lp r e p a r a t i o n , s u r f a c et r e a t m e n ta n di o ng a sl a s e r s 一i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h e s e t u po fh e l i c o n - w a v ep l a s m ac h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o na n d t h ep l a s m ad i a g n o s i s s y s t e mi n c l u d i n gl a n g r n u i rp r o b e a n do p t i c a le m i s s i o ns p e c t r o s c o p yd i a g n o s i sa l e p r e s e n t e d ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh e l i c o n - w a v ep l a s m aa r ei n v e s t i g a t e db yu s i n g v a c u u mu l t r a v i o l e t v i s i b l ee m i s s i o ns p e c t r o s c o p ya c q u i r e di nt h i se x p e r i m e n t ， c h a p t e r ir e v i e w st h ea p p l i c a t i o n so fp l a s m a , s e v e r a lp l a s m as o u i c sa n dt h e p l a s m ad i a g n o s i st e c h n o l o g y c h a p t e r p r e s e n t sas i m p l ed e s c r i p t i o no ft h e g e n e r a t i o na n dp r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fh e l i c o n 锌留坞i nc h a p t e ri l i 。t h e t h e o r yo fd i a g n o s i st e c h n o l o g ya n dc o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a ls e t u pa l ed e s c r i b e d ( 1 ) a f t e rh a v i n gc o n s i d e r e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh e l i c o nw a v ep l a s m a ，w eh a v e c a r e f u l l yd e s i g n e dar f ( r a d i of r e q u e n c y ) c o m p e n s a t e dp r o b ea n dt h ec o r r e s p o n d i n gc i r c u i tb a s e do nt h et h e o r yp r o p o s e db yp r o f e s s o rg o d y a ka n dc h e n ；( 2 ) t h e o p t i c a le m i s s i o ns p e c t r o s c o p yt e c h n i q u ei nt h er a n g eo f 2 0 0 9 0 0 1 1 1 1 1i se m p l o y e dt o d e t e c ti ns i t ut h ea c t i v a t e ds p e c i e si nt h ep l a s m a f i r s t ，t h ep h o t o ne m i s s i o nf r o m t h ep l a s m ac e n t e ri st r a n s f e r r e dt oac - tm o n o c h r o m a t e ra f t e rb e i n gf o c u s e db ya q u a r t zl e n ss y s t e m t h e nt h es i g r l a li sr e c e i v e db yap h o t o m u l t i p l i e rt u b eo fh i g h s p e c t r a ls e n s i t i v i t ya n dp a s s e ds e q u e n t i a l l yt h r o u g ham i c r o c u r r e n ta m p l i f i e ra n d d a s c a r d f i n a l l y , t h es i g n a li ss t o r e da n da n a l y z e db yap e r s o n a lc o m p u t e r i n t i i c h a p t e r ，t h eh y d r o g e np l a s m ai se x c i t e db yt h et e c h n o l o g yo fh e l i c o n w a v e p l a s m ac h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep l a s m ai s i n v e s t i g a t e db yt h ev a c u u mu l t r a v i o l e t v i s i b l ee m i s s i o ns p e c t r o s c o p ya c q u i r e di n t h i se x p e r i m e n t ：t h ei n f l u e n c eo fe x p e r i m e n tp a r a m e t e r so nt h er e l a t i v ed e n s i t y o fe x c i t e dh y d r o g e na t o mi sa n a l y z e df r o mh y d r o g e nb a l m e rl i n e s ；t h e i n f l u e n c eo nt h ev m r a t i n o a lt e m p e r a t u r eo fe x c i t e dh y d r o g e ni sk n o w nt h r o u g ht h e a n a l y s i so fh y d r o g e nf u l e h e rb a n dl i n e s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev i b r a f i n o a l t e m p e r a t u r eo fg r o u n dh y d r o g e na n dt h er a t i oo ff u l c h e rb a n dl i n e si sa n m y z e d ； t h eg a st e m p e r a t u r eo fp l a s m ai si n v e s t i g a t e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h e r o t a t i o n a ls p e c t r u mo f h y d r o g e ng bt r a n s i t i o n a lb a n dl i n e s t h eh e l i c o n w a v ep l a s m ac h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o na n dt h ep l a s m ad i a g n o s i s e x p e r i m e n t a ls e t u pp r e s e n t e di n t h i sp a p e rw i l lb eh e l p f u lf o rt h ep e r s p e c t i v e m e c h a n i s mo f c h a m i c a lv a p o r d e p o s i t i o np r o c e s s i n g k e yw o r d s ：p l a s m ad ! a g n o s i s h e l i c o n - w a v ep l a s m ac h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n l a n g m u i rs i n g l e - p r o b e r fc o m p e n s a t e dp r o b e o p t i c a le m i s s i o ns p e c 缸, o s c o p y h y d r o g e np l a s m a 四川大学硕士学位论文 第一章引言 我们知道，随着温度的上升，物质的存在状态一般会呈现出固态一液态一 气态三种物态的转化，我们把这三种基本形态称为物质的三态。对于气态物质， 由于物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就可能使气体分子产生电离，这样的 物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子的混合物，人们把物质的这 种存在状态称为物质的第四态，即等离子体( p l a s m a ) 。因为电离过程中正离子 和电子总是成对出现，所以等离子体中正离子和电子的总数是大致相等的，总 体看来为准电中性，所以也可以把等离子体定义为：正离子和电子的密度大致 相等的电离气体。若放电是在接近于大气压的高气压条件下进行的，那么电子： 离子、中性粒子会通过激烈碰撞而充分交换动能，从而使等离子体达到热平衡 状态。若电子、离子、中性粒子的温度分别为t ，l ，e ，人们把粒子温度近似 相等( “za l 的热平衡等离子钵称为热等离子体( t h e r m a lp l a s m a ) ；另外 数百帕以下的低气压等离子体常常处于非热平衡状态，此时，电子在与离子或 者中性粒子的碰撞过程中几乎不损失能量，所以有t l ，t 7 ：l ，人们把这 样的等离子体称为低温等离子体或冷等离子体( c o l dp l a s m a ) 。 等离子体技术现在广泛应用于诸多专业领域，而且变得越来越重要“一。 在新材料和加工领域，等离子体工艺( p l a s m ap r o c e s s ) 或者叫等离子体加工 ( p l a s m ap r o c e s s i n g ) 的有关技术正在广泛地被人们利用。利用等离子体化学 活性的薄膜沉积( d e p o s i t i o n ) 与刻蚀( e t c h i n g ) ，是尖端电子器件制造中不可 缺少的工艺”。其中，等离子体化学气相沉积( p l a s m ac h e m i c a lv a p o r d e p o s i t i o n ，p c v d ) 技术，已经在太阳能电池与液晶显示器件的制造中得到应 用m ，p c v d 还可以用来研制各种聚合物薄膜、金刚石薄膜、及碳纳米管等新材 料”3 1 。另一方面，反应性离子刻蚀。1 ( r e a c t i v ei o ne t c h i n g ，r i e ) 已成为超 大规模集成电路( v e r yl a r g e s c a l ei n t e r g r a t i o n ，v l s i ) 与辅助存储器d r a m 等器件的微细加工中必不可少的工艺技术。 1 1 等离子体生成方法 等离子体生成方法分般为直流放电和射频放电两种“_ ”。 四川大学硕士学位论文 在直流放电等离子体中，把正电位一侧称位阳极，负电位一侧称为阴级， 等离子体的生成和维持主要是通过阴极鞘层中的电子加速和等离子体中的焦 耳加热来实现，主要由四种方法：，在容器内设置两块电极并施加直流电压， 通过等离子体中被加速的粒子碰撞阴极表面而产生二次电子来维持的冷阴极 放电；，对冷阴极背面进行间接或直接加热的热阴极放电：，放电电极一 段封闭而另一端敞开的细圆筒型的空心阴极放电；，在平板状阴极的表面平 行施加磁场后放电产生等离子体的直流磁控管放电。 射频放电等离子体，主要有：，把高频功率加到两块平行板电极上，天 线表面电荷产生的静电场导致放电，称为电容耦会等离子体；，天线电波产 生磁场放电，磁场随时间变化引起感应电场，利用感应屯场加速电子从而维持 等离子体，称为感应耦合等离子体。 此外，近期还出现了两种新的等离子体产生方法： ，当输入与电子在磁 场中的回旋频率相等频率的微波时，微波电磁场的振荡和电子回旋运动发生共 振，微波能量可经共振耦台传给电子，获得能量的电子碰撞并电离中性气体从 而经放电产生微波等离子体“”；，在磁场中，给天线通入频率远低于电子回 旋频率的高频电流，天线激发引起磁化等离子体产生右旋极化波，其通过朗道 阻尼的方式加热电子，从而产生螺旋波等离子体“”1 。 1 2 等离子体诊断方法 1 21 静电探针诊断 静电探针方法早在1 9 2 4 年由i r v i n gl a n g r a u i r 发明，利用探针附近的静 电场与等离子体的相互作用而引起韵电荷重新分布所形成的探针电流变化作 为诊断依据，这种方法通常称为l a n g m u i r 探针“。最初的探针理论是由 l a n g m u i r 和t o n k 给出的，这一理论有许多前提条件：，首先假设探针对等 离子体的影响必须是很小的，以至于给等离子体加上偏压时等离子体的整体状 态几乎没有发生改变：，其次，探针附近的鞘层必须是无碰撞鞘层，这样当 电子和离子到达探针表面时的运动状态才与其在等离子体区的状态是直接相 关的，否则，如果存在碰撞的话，则探针附近电子、离子的运动状态与等离子 体的状态之间是没有相关的；，探针表面形状要有规则，同时还需要保持清 四川大学硕士学位论文 洁，探针表面必须是一个电子、离子的吸收体，探针表面没有二次辉光产生、 二次电子发生，否则这些因素将极大影响探针曲线的特征并影响相应诊断结 果。虽然探针不可避免受它周围环境的干扰，但是还是能在很广的范围内诊断 等离子体，可以得到如电子温度、电子密度圪、空间电位圪、离子束能量e ， 测量范围可达z 在0 1 e v 1 0 2 e v ，在o 1 v 1 0 3 y ，工作气压可为 l o 4 助1 0 2 m 。然而由于探针比较简单，探针曲线的解释是十分复杂的。除 此之外，还有许多情况是探针应用的禁区，比如由磁场存在的等离子体中，电 子运动不是局域的，也不是各向同性的，电子的扩散强烈依赖于磁场位型和探 针形状，没有好的理论来解释这类探针曲线，再如高气压等离子体中，通常的 探针理论不再适用，这其中电子的扩散和迁移是主要电流过程，鞘层结构很复 杂，高气压下的探针理论仍然处于发展之中。 最初的l a n g m u i r 探针是收集探针，有许多技术弊端，比如测量等离子空 间电位不准确，电子饱和电流的测量也有很大的随意性，因此基本上不用于诊 断电子密度和空间电位。为了解决这些问题，逐步发展了双悬浮探针，发射探 针和差分探针：双悬浮探针的测量回路于等离予体之间是悬浮的，因此对等离 子的干扰很小，用于测量电子温度与饱和离子电流非常适合，优点是阻断了探 针与等离子体之间的导电回路，避免了探针尖的二次辉光问题；缺点是应用于 等离子电子密度诊断不太准确，空间分辨率不高，并且无法克服探针污染的问 题。发射探针使用的是高温灯丝，可以避免探针表面被污染，然而高温下出现 了化学污染，因此发射探针不利于化学活性等离子诊断，发射探针的最大优点 是电子发射保证了探针与等离子体之间的欧姆接触，离子正电荷鞘层不能形 成，这样使得电子温度不影响探针与等离子体间的接触，可以准确测董等离子 体电位，却无法测得电子温度；差分探针是由发射探针和收集探针组成的悬浮 双探针，结构类似于冷悬浮双探针，不同的是差分探针是热探针，一支探针为 发射探针，支探针是热的收集探针，其优点是对等离子体的干扰比发射探针 小，但比双探针要大一些，并且克服了单探针和双探针的污染问题，在功能方 面，差分探针与发射探针一样用于诊断等离子体电位非常合适，诊断等离子体 电位的时间响应比其他任何探针都迅速，然而却无法诊断电子温度和电子密 度。 四川大学硕士学位论文 普通发射探针用于诊断空闻电位时，其时间分辨能力低，与发射探针类似， 单探针和双探针的时间分辨测量也很低，因为这些方法的诊断过程都要依赖于 探针伏安曲线的记录和分析过程，限制了探针方法时间分辨诊断的应用范围。 上述探针对等离子体的扰动会影响诊断结果，为了减少对等离子体的扰 动，一般都会提高探针时间响应速度，而提高探针时间响应速度的方法大都是 牺牲探针的一些诊断功能为代价的，用单探针直接指示悬浮电位可以视为等离 子体空间电位的一种有效诊断。对于无碰撞鞘层而言，悬浮电位与空间电位之 差匕一= ( t 2 e ) h m 2 m i ) ，其中( k 为玻尔兹曼常数，为电子温度， m 、州分别为离子和电子质量) ，因此悬浮电位的测量可以实现空间电位的测 量，并且这种方法可以提高时间响应速度，然而这种方法无法踊时测量电子温 度，并且圪、之间的关系也是不固定的，一般情况下当圪、以发生变化时， z 也是变化的，另外，当电子分布不是m a x w e l l 分布时，对高能电子敏感， 与低能电子无关，此时以与v 无关。发射探钎的悬浮电位在强发射的时02_n 候会接近等离子体电位，但是强发射的程度直接影响测量准确性，此外，发射探 针也无法用于高密度和超低密度等离子体，因为在高密度等离子体中要实现强 发射十分困难，而对低密度等离子体，探针发射时的空间电荷积累会导致测量 的误差迅速增大，从而使得测量失效。电流偏置的发射探针是发射探针技术的 最新发展，其特点是避免了传统发射探针的强发射要求，并且对等离子体的干 扰可以降至最小。 近期，高频等离子体系独特的放电机理和等离子体特点使其成为现代等离 子体物理学和工艺学的主要研究目标。高频等离子体系由于射频信号的存在 ( 如本文的螺旋波等离子体) ，所测得的i v 特性曲线会受到很大的扭曲，因 此出现了考虑射频信号特性而设计的新的有射频补偿作用的探针及其电路，如 射频隔离的单探针和自调谐的单探针等“1 。在此基础上，射频探针测试技术 获得了很大发展( 可以得到悬浮电盆、电子温度、电子密度等) ，并且诊断结 果也日趋可靠。 1 2 2 光谱诊断 光谱学用于等离子体诊断最早开始于天体物理的研究，应用于实验室等离 四川大学硕士学位论文 子体诊断则是从高温核聚变等离子体诊断开始的。等离子体发射光谱作为一种 无干扰方法可用于多种等离子体物理特性的诊断，如等离子体的电子温度、电 子密度、激发温度、甚至某些动力学过程。 等离子体发射光谱在低温等离子体诊断的早期应用主要有两个方面，即刻 蚀和沉积过程的机理研究“”以及非稳定态等离子体发光过程的时间行为分析。 随时间变化的等离子体的光辐射过程携带了等离子体中电场、电子密度和电子 温度的变化信息，最初的时间分辨光谱主要用于射频等离子体的诊断，随着各 种非稳态等离子体相关技术的产生和研究的深入，发射光谱广泛用于这些过程 的诊断和瞬态状态参数的诊断。近年来有许多研究工作是关于气相沉积薄膜生 长过程中的光谱诊断，如激光脉冲沉积和化学气相沉积中的发射和吸收光谱 ”7 ”1 ，还有不少研究瞬态等离子体的非平衡特性的工作，如利用谱线的s t a r k 展宽测量电子温度和电子密度，这些测量都有了比较可靠的结果“9 2 0 1 。 除了发射光谱技术外，还有吸收光谱技术，发射光谱虽然具有仪器简单的 特点，但是对于不发光的物种的诊断是间接的。吸收光谱技术主要用于不发光 物种成分浓度的定量测量，这种技术定量分析的灵敏度很高。 激光的出现使得许多弱的光学过程的等离子体诊断成为可能，激光散射 谱，激光诱导荧光和激光光电流效应谱技术也是应用等离子体诊断的常用光谱 学方法”“：激光汤姆逊散射的光谱线型提供了电子密度和能量分析的信息，等 离子体中的中性成分的瑞利散射强度也包含了中性成分密度的信息，近期，激 光拉曼散射光谱也被用于等离子体诊断，然而拉曼散射强度太弱，这种诊断方 式的应用仍处于起步阶段；激光诱导荧光光谱”4 ( l i f ) 是一种定量测量浓度的 诊断工具，高分辨激光诱导荧光光谱利甩s t a r k 效应可以有效测量电场强度， 激光诱导荧光光谱还可以定量测量绝对密度，利用高分辨单光子激光荧光光谱 可以通过d o p p l e r 效应得到粒子速度三维分布函数，其中偏振激光诱导荧光光 谱是利用z e e m a n n 效应测量磁场强度的有效方法；激光的相干性质使得等离子 体集体现象的诊断成为可能，激光干涉图像成为实时反映等离子体密度起伏变 化的最直观工具，这些技术的优点是使用方便、解析简单，但是缺点是灵敏度 低，主要用于稳态等离子体，对于低温等离子体和瞬态等离子体无能为力。 虽然光谱诊断方法包括上述多种并且各有优缺点，但是发射光谱诊断的优 四川大学硕士学位论文 势还是比较明显的，它所用的仪器系统相对简单、适用范围广、环境要求稍低 等。针对等离子体光辐射的具体特点，空间分辨光谱测量是实现等离子体诊断 的前提，对于本文的低温等离子体，我们用透镜成像系统实现空间分辨光谱的 测量。此外，发射光谱的分析是难点，其定量化的分析理论和方法还有待发展。 12 3 其它诊断领域 质谱诊断是常规的真空测量o ”，它作为低温等离子体处理和高温核聚变的 等离子体诊断非常重要，在等离子体过程中，气体成分的质谱比起发射光谱相 对简单，因此质谱在气相等离子体反应和等离子体一表面相互作用中确定等离 子体组成和杂质的含量时很有用。等离子体的质谱分析可以分为流分析和分压 强分析两类：流成分分析取样的等离子体粒子通过等离子体容器壁上直通的小 孔无碰撞地射入质谱仪离子光学系统，这个方法比较适用于等离子体组份的鉴 别和能量分析；分压强分析取样的气体是从等离子体容器经过与连接处壁上碰 撞之后经过质谱仪，由于分压强分析不需要测量直接到达的等离子体粒子，因 此等离子体容器与质谱仪之间的连接比较简单，与流分析相比一般来说差分抽 气的要求也较低。在没有约束磁场的等离子体中，比如常见的辉光放电等离子 体，流分析是最通用的技术，等离子体容器和质谱仪之间的距离没有明确的限 制，对于有强磁场约束的等离子体，如高温核聚变等离子体，为了避免磁场对 质谱仪的影响，一般要将质谱仪放在一定的距离之外，这就需要分压强取样分 析。 等离子体学科的迅速发展和深化需要发展新的等离子体诊断技术。静电探 针法利用的是等离子体中的静电现象，光谱学诊断方法借助的则是等离子体中 的光学现象和相应过程，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，等离子体与电磁波的相互作用发展了许多新的诊断领 域，如电子顺磁共振和激光磁共振谱“”、磁探针。”、微波探针嘲3 、x 射线探针 诊断汹3 和利用减速场测得离子能量分布。”等等。 四川大学硕士学位论文 第二章螺旋波等离子体源 近几十年来，随着微电子工业的迅速发展，等离子体处理技术也不断发展。 人们不断研制出具有革新意义的等离子体源，出现如导电等离子体( c c p ) 、感 应等离子体( i c p ) 、电子回旋共振( e c r ) 、微波等离子体( m w p ) 、表面波等离 子体( s w p ) 、螺旋波激发等离子体( h w p ) 等各种不同的等离子体源。 螺旋波( h e l i c o n ) 是利用一种特定的环绕于玻璃或者石英管外壁的天线 激发引起磁化等离子体，产生一种与磁场平行传播的右旋极化波，它最早在 1 9 6 0 年由a i g r a i n 提出来，用以描述在高电导率的介质中传播的低频电磁波， 如处于磁场中的低温金属、气体、放电等离子体等。在2 0 世纪7 0 年代初，人 们发现螺旋波激发放电具有很高的电离效率，自从这一现象被发现后，人们就 对其物理机制进行了不懈地探讨、研究，f r a n c i sf t h e n 提出螺旋波是通过 朗道阻尼的方式加热电子“”1 。h w p 等离子体源由于其电离效率高、密度高且 均匀、约束磁场低和投入相对较低等特点，已经在刻蚀、薄膜沉积等领域得到 广泛的研究和应用”1 。 2 1螺旋波原理 2 ，1 1 冷筹离子体中的波 气体、液体、固体中能产生波，在等离子体中同样也存在波，这种波有时 由于等离子体不稳定性而自发产生，也可以通过施加电磁场来产生。在磁化等 离子体中，外加磁场使缛等离子体成为各向异性的介质。忽略等离子体中的流 体压强，便是冷等离子体。 冷等离子体中本征模式所满足的色散关系 t a n 2 口：z - z z ( n r 2i - r 焉x 面n 2 - l i ) ( 2 1 ) ( q 2 一r ) ( 2 一乞) 、 其中矗= l 一( 0 ，2 加洄一q 。c o s e ) ，三= 1 + 孟珊 十c o s o ) ，n 为等离子体折 射率，定义为光速与波的相速度之比，即n = c k d o ，c 是光速，七是波矢， 是角频率，0 为是波矢七与磁场曰的夹角。 四川大学硕士学位论文 波的传播方向可以分成与外磁场平行和垂直两种方向，令0 = 0 ，可得出 平行于磁场传播的波的色散关系，此有三个解“删： ( 1 ) s ：= 0 ，( 2 ) 2 = r ，( 3 ) n 2 = 三( 2 2 ) 第一个解给出0 9 = 0 9 。，对应于等离子体振荡，第二个解给出波的电场沿 着电子回旋运动方向的右旋圆偏振波，第三个解表示逆着电子回旋运动方向的 左旋圆偏振波。右旋圆偏振波的低频部分中，低于离子回旋频率( ( - d 0 ) ) 的波c 过渡成阿尔芬波；低于电子回旋频率的波( 馥j 国 鞘层厚度) 下鞘层的形态如下： 如图( 3 1 ) ，考虑等离子体在x = x 。处与固体表面接触的一维情况，在接触处 前会形成离子密度大于电子密度的鞘层区域阮 x x w ) 。由于等离子体中带 四是学硕士学位论文 电粒子要进行双极扩散流动，所以鞘层前 t ) 还存在一个离子加速的区域。 这个区域被称为预鞘层( p r e s h e a t h ) ，一般认为该区域是处于满足电中性 ( 心“_ ) 条件的等离子体状态“1 。 ， 蔫 一i 。卜睁t d mp 目啪；_ 岫y 州1 图3 1 等离子体鞘层 3 1 2l a n 肿u ir 单探针工作原理 3 1 ，21 插入等离子体内的悬浮金属丝 在等离子体中插入一根金属丝，由于等离子体内的电子质量远比离子质量 小，而其运动速度远比离子高，这样将导致悬浮插在等离子体中的金属丝上积 累了相当数量的负电荷，以致产生了明显的悬浮负电位。由分子运动论，可知 在单位时间内落在金属丝表面单位面积上的离子数遵循余弦定律： 咖 】一 1 d t2 4 ”r k ( 3 1 ) 咖 1 一 i 2 i 体_ ( 3 2 ) 其中，b e 为电子密度，n s 为离子密度，k 为电子平均热运动速度，百为离子 平均热运动速度。两式两边均乘以电子电荷口，可得流向金属丝的电子电流密 度五与离子电流密度工的表达式： 1 一 2 i 8 k ( 3 3 ) 四川天学硕士学位论文 1一 ，= i e 吩m ( 3 4 ) 我们知道i 百，故丘五，因此，金属丝刚插入等离子体内的很短的时间 内，金属丝表面会出现净负电荷，该电荷产生的电场排斥电子而吸引正离子， 当达到平衡时，金属丝的电位为。设等离子体空间电位为k ，则在k 一_ 的 作用下，五= z ，其中又称为悬浮金属丝的悬浮电位。显然， k ，亦 即在金属丝与等离子体之间形成了一个电位差为巧一的鞘层。 飞向金属丝的正离子不受鞘层的影响，而龟子在穿越鞘层时，受到排斥场 的作用，只有动能能克服这个势垒的那部分电子才能到达金属丝表面，根据玻 尔兹曼分布函数，可知能穿过这个势垒的电子密度为： 一斗掣l s ， 其中为等离子体密度，一等离子体处于平衡状态时，五= 五，即： 衲卜掣b 回 因为n o ：强( 设等离子体内为单电荷离子) ，粒子平均热运动速度为 v = ( 8 七彰万m y “ ( 3 ，7 ) 故( 3 6 ) 式可以改写为； k 一_ = 等h 降 = 等k 离 c ， 正离子穿越鞘层获得动能e 为： 即( ) = 等k 瞻l ( 3 ，) 31 2 2l a n g m u i r 单探针卜v 特性曲线 我们在插入等离子体中的金属丝末端连接上简单的电路，使探针的电位从 负几十伏到正几十伏，假设在探针电位调节的过程中，等离子体的状态保持稳 定，对应探针电流由负变到正的每一个电位值，记录下电流表所指示的相应的 四川大学硕士学住论文 每一个流过探针的电流值，即可得到探针i - v 特性曲线。现在我们分析 l a n g m u i r 单探针i - v 特性曲线的成因，在此，我们采用最简单的圆盘型平面 探针1 。 由上一节的余弦定律可知：单位时间内落在单位鞘层面积内的电子数与离 子数可以分别由( 3 1 ) 与( 3 2 ) 式表示，至于落到鞘层表面的粒子能否落到 探针表面，则取决于粒子的种类( 正离子还是电子) 和鞘层电场的大小与方向。 下面将单探针i v 特性曲线分为三个区域进行分析： k a b 厂， c 。t 。 v ， v - k 图3 2 理想探针l 叫特性曲线 a 区：饱和离子电流区，在该区，探针电位n 远远小于等离子体空间电位 k，即vt，此时，全部电子都受到鞘层排斥场的作用丽不能到达探针表。 面，只有正离子能被探针收集，这些至q 达鞘层表面的正离子数目由余弦定律决 定，因此，它由等离子体的离子密度吩和离子热运动平均速度v f 决定，而与鞘 层电场大小无关，由( 3 4 ) 式决定的离子电流密度也就是探针所能收集到的 最大离子电流密度，称为饱和离子电流密度，将其乘以探针暴露在等离子体里 的总面积即得到探针饱和离子电流。 c 区：饱和电子电流流区，与a 区类似，在该区k ，此时，全部的正 离子受到鞘层排斥场的作用而不能到达探针表面，只有电子能被探针收集，这 些到达探针表面的电子数值由( 3 1 ) 式决定，同样，该数值由等离子体的电子 四川大学硕士学位论文 密度n 。和电子热运动平均速度心决定，而与鞘层电场大小无关，由( 3 3 ) 式决 定的电子电流密度也就是探针所能收集到的最大的电子电流密度，称为饱和电 子电流密度，将其乘以探针总面积即为探针饱和电子电流。 b 区：过渡区，该区的情况稍微复杂，在该区 k ，因此，落在鞘层表 面的正离子全部都能到达探针表面，构成探针电流的一部分；由于它在数量 上较电子电流小得多，实验中往往忽略它对探针电流的贡献，只考虑电子电流。 在该区，等离子体中电予具有接近m a x w e l l 分布的速度分布，则电子的动能也 是l a x w e l l 分布，当n 越来越小的时候，能够克服排斥场到达探针表面的电 子数也就越来越少，实际上，能够克服排斥场的作用而到达探针的电子数是对 m a x w e l l 分布函数的积分，显然，此积分具有指数函数的性质，所以在过渡区 的探针电流呈指数函数的形状。因此，l a n g m u i r 单探针的i v 特性函数携带 了电子分布函数的信息( 即电子温度的信息) 和等离子体性质的其它信息。 3 1 2 3 由单探针i v 特性曲线获取等离子体参数的步骤 1 由观测到的i v 特性曲线可得知等离子体空间电位e 与悬浮电位巧： 由前面的分析可以得知，当圪时，探针电流达到电子饱和电流；当 k 时，探针电流按指数函数衰减。故在i v 特性曲线上会出现一个拐点，此拐点 对应的横坐标即为等离子体空间电位圪，i v 特性曲线与横坐标的交点即为悬 浮电位以。 2 求电子温度：在过渡区，探针电流与鞘层电场巧一圪之间是指数关 系，即： h 唧 警 ， 式中l 为探针饱和电流，对上式取对数得： 警地铲1 1 1 气 矗t = 毒瓮 四川太学硕士学位论文 即，如果将实验测得的i v 特性曲线取对数，得1 i l j 。= f ( v p ) ，则过渡曲 线应该呈线性关系，该直线的斜率即为等离子体的电子温度j i i 。 3 求电子密度与离子密度：等离子体空间电位矿的对应纵坐标即为电子 饱和电流匕，为： j 。= 厶4 pz g 彳，t = 6 6 9 x 1 0 一4 乏 ( 3 1 3 ) - 5 警 ( 3 ，4 ) 公式中，n o 为等离子体密度，a 。为探针表面积，单位为( 1 1 l i n ) 2 ，廿单位为m a ， 虹单位为e v 。 3 ，1 ，3 射频补偿调谐单探针设计与数据处理 3 1 3 - 1 射频探针补偿原理 在射频耦合等离子体中，由于射频信号的存在，所测得的i - v 特性曲线会 受到很大的扭曲，因此有必要考虑射频信号的特性，设计新的有射频补偿作用 的探针及其电路。g o d a y m l 和c h e n m l 提出了类似的探针射频补偿方法，分析如 下。 图3 3 射频补偿探针等效电路 图( 3 3 ) 给出了探针、鞘层及其相关电路的等效电路。这里，k 为等离 子体空间电位，为探针的电位，k 为探针的偏转电压，圪是所要测的输出 电压，如( o 1 女q 一1 七哟为测量电阻。鞘层阻抗z 。由等效电阻如与等效电容 四川大学硕士学位论文 q 并联组成；辅助悬浮电极阻抗互由电阻b 和电容e 并联组成；辅助悬浮 电极与探针通过电容c 乙耦合：z 。为扼流电路阻抗；e ，为扼流电路与探针之 间的杂散电容；c ：为偏压电源和探针之间尾端同轴电缆之间的杂散电容。 等离子体空间电位为： k = 十( 3 。1 5 ) 上式中，。为平均值，巧，为射频振荡值。 ( ij 当= 0 时，直流电流值为： i = i ? 一i ： = l n o e a ，i e x p ( 口( 咋一k ) k t , ) = r 6 e a ，咋e x p ( g ( 巧一k ) | j 瓦) i lz 丢m a ，s u = ( k t o 2 7 r m ) i f 2 k “( 幔 f ) ”2 ( 3 1 6 ) ( 3 t 7 ) ( 3 1 8 ) ( 3 i 9 ) ( 3 2 0 ) 上面几式中，t 为电子电流，为离子电流，i 为电子热运动平均速度，为 等离子体密度，一。为探针面积，匕为玻姆速度( b o h mv e l o c t y ) ，m 为电子 质量，m 为离子质量a 因为，k = ，所以当= ，悬浮电势= 匕，得 出： _ 卟等l n ( ( 3 2 1 ) 鞘层电阻由下式给出： 1 d id j f 2 一一。 (322)dvd v 如 。 由( 3 1 7 ) 式得到： 如= 鲁 ( 3 2 3 ) 可以看出，鞘层电阻是随着( 匕一k ) 变化的，但是在悬浮电位处，这个值是唯 日川大学硕士学位论文 一确定的，为 驴等“景 式中为德拜长度，嚣= s o k t , n o e 2 。 ( 3 2 4 ) ( u ) 当o 时，k = + ，这里l 也许比i 要大彳艮多。 ，首先，我们忽略射频补偿电路的阻抗互和谐振电路的阻抗z 0 ，考虑 有射频信号存在，则t 、如在振荡，并且电容c _ 有射频电流通过。 下面来计算通过电容巳的射频电流，动态鞘层电容为巳= a q i a f ，此 处y = 匕- v , ，q 为电容任一侧的电荷。 p 培s b 虽； o ；嘶 v = 0 毪 圈3 4 探针边缘的c h ii d - l a n g m u ir 鞘层 探针的无碰撞鞘层可分为预鞘层、德拜鞘层和蔡尔德一朗缪尔鞘层 ( c h i l d - l a n g m u i rs h e a t h ) 三层，这里的德拜鞘层比c h i l d l a n g m u i r 鞘层要 薄，而预鞘层更薄呻“1 。因为鞘层厚度在2 ，z 如数量级，而离子经过预鞘层加 速后速度为v 。，可得到离子通过鞘层的时间= 2 砝。v 。，其频率f = 北，在 等离子体k l = 4 e v ，= 1 0 ”c m 。时，可计算得离子速度v 。= 1 9 6 1 0 4 聊s 。和德 拜长度厶= 1 4 9 1 0 。m ，由此可得离子频率为i o o m h z 量级，而我们的射频频 率为1 3 5 6 m h z ，可以看出在每个射频信号周期内，离子有足够时间到达探针， 四川大学硕士学位论文 鞘层可以达到平衡。 在此，由于德拜鞘层比c h i ld - l a n g m u i r 鞘层要薄很多，在德拜鞘层的电 压降比较小，忽略德拜鞘层，则如图( 3 3 ) 与图( 3 4 ) ，电容c 。一端是探 针p ，另一端在c h i l d l a n g m u i r 鞘层上，即得到c h i l d l a n g m u i r 鞘层即是 电容的两端，因此我们可以用c h i l d l a n g m u i r 定律1 ： 鲁= 等= 氏万a e 一岛斋( 警) c 。z s ， 其中p p 是探针表面电荷密度。 由离子的能量守恒给出( 此处 0 ) ) ： ；去蚴f = 妄朋= l 一2 + e v ( 3 2 6 ) 由离