（凝聚态物理专业论文）螺旋波诱导低温低压氢等离子体温度与密度研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 八 教蚤习 日期： 驯e 。乞? 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 獬墩翻 新虢煳、帆髟 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着等离子体技术的迅速发展，低温低压等离子体在新型材料制备和等 离子体加工领域中地位日趋重要。在利用等离子体化学气相沉积( p c v d ) 技 术制备薄膜中，制备出的薄膜质量和特性主要取决于放电产生的等离子体的 内部状态，因此诊断其内部状态参数对保证真空镀膜的稳定性和可重复性， 优化等离子体工艺起着决定性作用。螺旋波等离子体作为最新的低温气压等 离子体源，在新型纳米材料制备、超大规模集成电路工艺等方面具有广泛的 应用前景。 本文综合采用l a n g m u i r 探针法和发射光谱法对螺旋波诱导的氢等离子 体进行了原位诊断，研究了部分等离子体参数随宏观实验参量的变化规律。 采用自主设计的l a n g m u i r 扫描探针原位诊断了不同实验参量下的i v 特 性曲线，根据双曲正切函数的指数变换模型平滑数据，采用d r u y v e s t e y n 方 法对数据进行了分析，得到等离子体参数电子密度、有效电子温度和电子能 量几率函数，研究了它们随实验参量的变化规律。 采用发射光谱法诊断了氢原子的b a l m e r 系谱线，利用日冕模型定性分析 了等离子体密度随实验参量的变化规律；利用玻尔兹曼图，研究了氢原子激 发温度的变化规律；根据分子光谱理论研究了f u l c h e r 带系和g b 带，分析 了分子振动温度和转动温度的变化规律。 并对两种方法得到的结果进行了综合分析。同时采用两种方法能够更全 面的反映等离子体状态信息，为低温低压等离子体化学气相沉积制备薄膜研 究提供了重要参考。 关键词：螺旋波等离子体状态参数l a n g m u i r 探针d r u y v e s t e y n 方 法发射光谱法玻尔兹曼图 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp l a s m at e c h n o l o g y ，l o wt e m p e r a t u r ea n dl o w p r e s s u r ep l a s m ah a v eb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nt h ef i e l do fn e w m a t e r i a lp r e p a r a t i o na n dp l a s m ap r o c e s s i n g 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 ( p c v d ) i nf i l md e p o s i t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c s a n dq u a l i t yo ff i l m sa r em a jo r l y d e t e r m i n e db yp l a s m ai n t e r n a ls t a t e t h e r e f o r e ，p l a s m ad i a g n o s i so fi n t e r n a ls t a t e i sv e r yi m p o r t a n tt og u a r a n t e et h es t a b i l i t ya n dr e p e a t a b i l i t yo fv a c u u mc o a t i n g a n do p t i m i z i n gt h ep l a s m at e c h n o l o g y h e l i c o np l a s m a ，l a t e s tp l a s m as o u r c e ，h a s b r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nn e wn a n o m a t e r i a lp r e p a r a t i o n ，v e r yl a r g e - s c a l e i n t e g r a t i o np r o c e s s i n g ，a n ds oo n i nt h i sa r t i c l e ，t h eh y d r o g e np l a s m ai n d u c e db yh e l i c o n w a v ei sm e a s u r e di n s i t ub yb o t hl a n g m u i rs c a n n i n gp r o b ea n de m i s s i o ns p e c t r o s c o p y t h ev a r i a t i o n s o fp l a s m as t a t ep a r a m e t e r sw i t he x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e d t h ei vc h a r a c t e r i s t i cc u r v e sa r em e a s u r e di n s i t ub yas e l f - d e s i g n e d l a n g m u i rs c a n n i n gp r o b e r a wd a t ai sf i t t e db ya ne x p o n e n t i a lt r a n s f o r m a t i o nt o at a n g e n th y p e r b o l i cf u n c t i o n e l e c t r o nd e n s i t y ，e f f e c t i v ee l e c t r o nt e m p e r a t u r e a n de l e c t r o n e n e r g yp r o b a b i l i t y f u n c t i o na r et h e nc a l c u l a t e da n ds t u d i e d a c c o r d i n gt od r u y v e s t e y n m e t h o du n d e rd i f f e r e n te x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s b a l m e rl i n e so fh y d r o g e np l a s m aa r ed e t e c t e db ye m i s s i o ns p e c t r o s c o p y p l a s m ad e n s i t yw i t ht h ev a r i a t i o no fe x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r si sq u a l i t a t i v e l y a n a l y z e da c c o r d i n gt oc o r o n a lm o d e l h y d r o g e na t o me x c i t a t i o nt e m p e r a t u r ei s s t u d i e db yb o l t z m a n np l o t f u l c h e rb a n d ，a sw e l la sg - bb a n d ，i ss t u d i e db a s e d o nm o l e c u l a rs p e c t r o s c o p y m o l e c u l a rr o v i b r a t i o n a ld i s t r i b u t i o n sa r ea n a l y z e d u n d e rd i f f e r e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s t h er e s u l t sg o tf r o ml a n g m u i rp r o b ea r ec o m p a r e dw i t ht h eo n e sf r o m e m i s s i o ns p e c t r u m t w om e t h o d s ，u s e da tt h es a m et i m e ，c a nm o r ef u l l yr e f l e c t t h ep l a s m as t a t e t h i sa r t i c l ep r o v i d e sa ni m p o r t a n tr e f e r e n c ef o rt h es t u d yo f f i l md e p o s i t i o nu s i n gp 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 k eyw ords ：h e l i c o np l a s m a ；s t a t ep a r a m e t e r ；l a n g m u i rp r o b e ； d r u y v e s t e y nm e t h o d ；e m i s s i o ns p e c t r o s c o p y ；b o l t z m a n np l o t 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 目录 1 绪论1 1 1等离子体的概念及分类1 1 2 描述等离子体的参数1 1 2 1 等离子体密度一1 1 2 2 等离子体温度2 1 2 3电子能量分布函数4 1 2 4 等离子体电位4 1 3 等离子体诊断方法4 1 3 1光谱诊断5 1 3 2探针诊断6 1 3 3 质谱诊断7 1 4 本文研究意义、主要内容及创新点8 2 螺旋波等离子体源与诊断实验l o 2 1 螺旋波等离子体源1 0 2 1 1螺旋波的传播1 0 2 1 2 螺旋波的吸收1 2 2 1 3 螺旋波天线1 7 2 1 4 螺旋波放电机制转变1 8 2 2 螺旋波诱导氢等离子体诊断实验2 0 2 2 1 总体设备- 2 0 2 2 2 螺旋波等离子体发生系统2 0 2 2 3 l a n g m u i r 扫描探针诊断装置2 1 2 2 4 发射光谱诊断装置2 4 2 2 5实验过程2 5 3 l a n g m u i r 探针法诊断与结果分析2 6 3 1l a n g m u i r 探针工作原理2 6 3 2 l a n g m u i r 探针i - v 特性曲线2 7 3 3l a n g m u i r 探针分析方法2 8 3 3 1经典方法的由半无限平面探针解释2 8 3 3 2 d r u y v e s t e y n 方法2 9 3 4i - v 特性曲线处理方法3 1 西南科技大学硕士研究生学位论文第页 3 4 1多项式拟合31 3 4 2g a u s sj a n 滤波( 即h a y d e n 数值滤波) 3 1 3 4 3f o u r i e r 变换低通滤波3 2 3 4 4 双曲正切函数的指数变换模型3 2 3 5 l a n g m u i r 探针法诊断结果与分析3 4 3 5 1l a n g m u i r 探针诊断结果- 3 4 3 5 2l a n g m u i r 探针i - v 特性曲线处理3 5 3 5 3电子密度和能量分布随射频输入功率的变化规律3 6 3 5 4电子密度和能量分布随气体压强的变化规律3 9 3 5 5 电子密度和能量分布随轴向约束磁场的变化规律4 0 3 6 本章小结4 2 4 发射光谱法诊断与结果分析4 3 4 1等离子体发射光谱的基本原理及分析方法4 3 4 2 双原子分子光谱理论4 5 4 2 1双原子分子能级结构4 5 4 2 2双原子分子电子光谱的振动转动结构4 7 4 2 3 氢分子激发态振动温度4 9 4 2 4 氢分子激发态转动温度5 0 4 3 氢等离子体b a l m e r 系发射光谱强度分析5 l 4 3 1 氢等离子体b a l m e r 系发射光谱5 1 4 3 2 三谱线强度随射频输入功率的变化规律5 3 4 3 3 三谱线强度随气压的变化规律5 4 4 3 4 三谱线强度随约束磁场的变化规律5 4 4 4 氢原子激发温度分析5 5 4 4 1根据b o l t z m a n n 图研究激发温度5 5 4 4 2氢原子激发温度随射频输入功率的变化规律5 6 4 4 3 氢原子激发温度随气压的变化规律5 7 4 5 氢分子激发态振动温度分析5 8 4 5 1f u l c h e r a 带发射光谱5 8 4 5 2分子激发态振动温度随射频输入功率的变化5 9 4 5 3分子激发态振动温度随气压的变化6 0 4 6 氢分子激发态转动温度分析6 0 4 6 1g - * b 带和f u l c h e r - a 带对不同激发态分子转动温度确定6 0 结 致 参 攻 西南科技大学硕士研究生学位论文第l 页 1绪论 1 1 等离子体的概念及分类 物质随着温度的上升会出现固态、液态、气态三种物态的转化，从外界 加热或由外加电场进一步给气体供给能量，则气体分子会离解和电离，形成 由电子、离子、原子、分子和其他粒子组成混合气体。作为带电粒子体系， 无论是部分电离或完全电离，在与气体体积相比拟的宏观尺度内，正电荷和 负电荷总数相等而呈准电中性，故称为等离子体( p l a s m a ) 。它是一种导电流 体，其运动行为会受到电磁场的影响和支配，由此导致带电粒子群的种种集 体运动。因此，等离子体是由带电粒子和中性粒子组成的宏观上呈电中性且 具有集体效应的混合气体。等离子体按温度可分为：( 1 ) 高温等离子体：温 度相当于1 0 8 1 0 9 k 完全电离的等离子体，如太阳、受控热核聚变等离子体。 ( 2 ) 低温等离子体：热等离子体：稠密高压( 一般在l 大气压以上) ，温 度1 0 3 1 0 5 k ，如电弧、高频和燃烧等离子体。冷等离子体：电子温度高 ( 1 0 3 1 0 4 k ) 、气体温度低( 接近室温) ，如稀薄低压辉光放电等离子体、电 晕放电等离子体、d b d 介质阻挡放电等离子体等n 1 1 。 1 2描述等离子体的参数 等离子体形貌和状态千差万别，要科学地描述等离子体的状态，需要定 量地测量它的各种参数”。 1 2 1 等离子体密度 通常，等离子体中存在电子、正离子和中性粒子( 包括不带电荷的粒子如 原子或分子以及原子团) 等三种粒子。设它们的密度分别为刀。， i ，刀n ，由于 准电中性，所以电离前气体分子密度为以。刀。于是，定义电离度= 刀。( n 。+ 挖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 ，像这样萨1 的等离子体称为完全电离等离子体。电离度大于 1 ( 险1 0 - 2 ) 的称为强电离等离子体，像火焰中的等离子体大部分是中性粒子 ( f l h v ， 2 忑n - h v = n k t , , , b 七乙 ( 1 - 6 ) 上式改成 ( 1 7 ) 在尚有解离存在的高温下，振动的振幅增大到可以与原子间距里相比拟时， 振动自由度与转动自由度又要相互作用，使振动出现非简谐性，但是呈现非 简谐性的振动温度范围不大，因为如果温度再增高，就要出现解离，使振动 自由度根本不存在了。 1 2 2 4激发温度 对处于某激发态a ( 一般指仅自由度) ，第k 能级的粒子数密度n 扪由 玻尔兹曼分布给出： 口：号ke x p ( 一争( 1 - 8 ) n ke x p ( 。2 = g 。一 ) 二 托口 式中g 口k 为统计权重，一般定义为能量处在职七w a k + d w a 露区间内粒子的微观 状态数，也就是出现这些微观状态的几率，z ：兰。e x p ( 一簪) 为配分函数 k = o 口 ( 状态和) ，k - = - o 为基态，k = - m 为第m 激发态，g a k 为相应于第k 能级上粒子 的微观状态数，z 是全部能级上粒子的微观状态总数。如果第m 个激发态的 粒子数密度为，z 历，则玻尔兹曼分布关系为： 鱼：叠e x p ( 一警) ( 1 9 ) g o j c 。 可以看出，即使死不变，但对不同自由度( 口改变) 和对不同能级( k 改变) ， 粒子数密度都是不同的，如果考察某一自由度仅内的粒子运动( 定义温度为 死) ，只有在同一自由度内各能级之间通过碰撞和辐射交换能量使达到统计平 衡时，才可定义该自由度内的统计温度死d 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 3电子能量分布函数 即e e d f ( e l e c t r o ne n e r g yd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ) ，是指在不同能量区域中 电子的浓度( 数目分布) ，是描述等离子体状态的重要参量，尤其是它的高能 部分，在很大程度上也影响着气体分解和电离的动力学过程盯“”。气体的分 解能、激发阈能以及电离阈能各不相同，因此在相应的分解、激发以及电离 过程中与不同能量区域的电子密切相关。e e d f 形状改变“”，表明电子能量 的分布类型发生改变，电子在气体中的运动状态发生变化，电子加热行为发 生改变。因此电子能量分布函数能够更加细致和全面地描述了等离子体总电 子的能量特性。 1 2 4 等离子体电位 等离子体电位的大小反映鞘层势垒( 对电子) 或势阱( 对正离子) 的大小 们，。在低温等离子体中，它基本决定了离子将以多大的能量撞击器壁。鞘 层是等离子体在边界处与器壁之间形成的一个电场区，电场方向指向器壁， 客观上起了阻碍电子逃逸和加速正离子流失的作用旧儿，。这为一些工艺过程， 如溅射和刻蚀带来了方便，通过提高样品台和等离子体之间的电位差，可以 实现更高的溅射速率，实际应用中通常是通过给靶电极加射频偏压来实现。 等离子电位的提高也可能会造成离子对器壁的溅射，这在一定程度上会造成 放电室的污染。但如果离子能在器壁上打出二次电子，这些电子就将加速成 高能电子返回等离子体中。等离子体电位愈高，二次电子加速获得的能量就 愈大，鞘层对电子的限制作用也愈强，等离子体中的高能电子也就愈多，从 而有利于放电气体的电离和分解，等等。 1 3 等离子体诊断方法 等离子体诊断是以可控的方式扰动该系统，借助仪器测量以获得等离子 体详尽的参数信息，可用两种方式来进行：一种是异位技术，将刻蚀和沉积 过程与放电隔离开，放电流管和分子束实验确定了中性和荷电两种粒子与其 他气相粒子及暴露在放电中材料的许多反应；另一种是原位方法，在其所处 的放电条件与等离子体工艺环境相类似，有各种诊断探测设备，为研究提供 更接近真实工艺条件信息| 1 8 - 2 0 ，。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 1 光谱诊断 等离子体光谱诊断方法主要有吸收光谱法心。2 “、发射光谱法心”“、激光诱 导荧光 3 3 - 3 7 ，、相干反斯托克斯拉曼光谱( c a r s ) 1 3 8 - 4 1 、光电光谱。一，等。光谱 诊断具有实时、在线、原位、对体系没有扰动、时空分辨性良好等优点。 ( 1 ) 吸收光谱法：使光从外部照射等离子体，对等离子体中粒子的吸收进 行光谱分析，以识别等离子体的粒子种类或检测这些粒子的密度的一种方法。 主要优点是在大多数情况下设备仪器比较简单，用在光发射测量的装置可更 容易地改装以适用于吸收测量，而且当吸收截面已知时便可得到绝对浓度。 主要缺点是在紫外可见区，谱线聚集拥挤，吸收线被展宽，而且往往没有结 构，多组分吸收会引起谱线重叠，降低了准确度和可靠性，而红外吸收系数 比真空紫外和可见弱三个数量级，最适合高浓度强吸收。 ( 2 ) 发射光谱法：具有设备简单、灵敏度高、无干扰性、获得信息丰富等 优点，被广泛应用于非平衡态等离子体发光过程的时间行为分析及瞬态参数 的诊断。等离子体中存在的大量分子、原子、离子或者自由基等物种，在外 界的作用下被激发到激发态，处在激发态粒子寿命很短，在退激发的过程中 便发射光子，而光子的能量与该粒子的种类以及所涉及的能级有关，各种物 种所发出的光谱分布不同，而且谱线强度还会受到等离子体中各种放电参数 的影响。通过对发射光谱的分析，可以得到许多关于等离子体中粒子种类、 等离子体温度、电子密度等一系列参数的信息。 ( 3 ) 激光诱导荧光光谱分析：利用激光束使电子能量处于基态的原子或分 子激发，再对从激发态回落到基态所发的光进行光谱分析的测试方法。这种 方法的特征在于可以用非常高的探测灵敏度进行时间的、空间的分解测定。 具有有极高的灵敏度( 可探测到低于1 0 8 c m 1 的粒子密度) 和选择性( 通常 不会探测到来自其他形式的干扰信号) ，同时它还可提供时间和三维空间的分 辨，但它只能用于那些从基态到束缚激发电子态具有光学允许的粒子或样品。 ( 4 ) 相干反斯托克斯拉曼光谱( c a r s ) ：用于测定等离子体中的分子密度 及旋转温度。波长不同的两束激光从同一方向入射到等离子体时，除入射的 激光( 角频率l ，2 ) 和3 0 9 1 ，2 0 9 1 + m 2 ，( 0 1 + 2 ( 0 2 ，3 0 9 2 3 倍波成分之外，还 发出包含与拉曼效果的斯托克斯线，反斯托克斯线相当的成分2 0 9 2 一l 及 2 0 9 1 2 的光，一般拉曼线是很弱的，但当( 1 c 0 2 ) 与气体分子的固有振动， 即旋转拉曼跃迁频率一致时，拉曼线会因共振效果变强。反斯托克斯拉曼线 的强度是气体分子极化率的平方，因此与分子数的平方成正比，光谱的强度 取决于分子的旋转能量分布。c a r s 背景光干扰非常弱，同时由于信号使光 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 束，可以探测远处具有各向同性辐射的等离子体，但灵敏度不及激光诱导荧 光，实验复杂，要有两台时间空间重合的高功率激光器。 ( 5 ) 光电光谱：如果使与等离子体中的原子、分子的光学跃迁一致的光从 外部照射，光被吸收，等离子体的阻抗，即电流电压将变化，如果改变入射 光的波长，便可得到光谱，这种方法就是光电光谱。光电光谱的灵敏度极高， 用其他方法不能检测的分子团或离子也比较容易观测，光电光谱的分辨率取 决于激光的振荡频谱的幅度一级等离子体中原子和分子频线的幅度，用分辨 率较高的光电光谱扩展，可以确定等离子体的气体温度，从光谱的形状也可 以估算分子的旋转温度，等等。 1 3 2探针诊断 表卜1几种常用探针特点 t a bie1 - 1c h a r a c t e ris tic so ff o u rt y pic aip r o b e s 将金属探针插入等离子体中，并在它上面施加正或负的偏置电压以收集 电子或离子电流，得到探针i v 特性曲线，根据曲线推导出等离子体的电子 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 温度、密度、能量分布和等离子体电位等重要参数，具有结构简单、测量范 围广等优点是测量等离子体参数的方便有效工具h ”州。1 9 2 4 年l a n g m u i r 提出 低气压直流辉光放电体系的探针诊断理论以来，探针诊断方法取得了很大的 发展，产生了许多诊断方法，如双探针、发射探针、差分探针、射频探针等 等t 4 8 , 4 9 ，。不同的探针可以实现对等离子体参数的诊断，仅靠一种探针不能实现 对等离子体所有参数的测量，而且诊断的内容和结果也不尽相同，需根据探 针的特点和适用范围等条件根据需求选择具体采用的诊断方式，表1 1 列出 了几种常用探针的特点。 1 3 3 质谱诊断 等离子体本身可以产生离子，可将离子体直接导入质量( 或能量) 分析 仪，通过质量( 或能量) 分离测定质谱，可以确定粒子的种类和电离状态， 这种诊断方法叫质谱法“”。质谱方法获得的结果比较直观，可以直接检测等 离子体中存在的粒子的种类和电离状态。质谱分析分为三个部分：电离源、 离子分析器和信号收集系统。其中离子分析器，有许多类型，但等离子体分 析大多采用四级质谱计，最大优点是体积小，使用方便，它采用的是四级杆分 析器临2 删，如图1 1 所示 图卜1四级杆分析器工作示意图 fig1 - 1w o r kln gs c h e m a tico fq u a d r u piem a s ss p e c t r o m e t e r 四级杆分析器由四根棒状电极组成，电极材料是镀金陶瓷或钼合金。相 对两根电极间加电压( 。+ 诈f ) ，而另外两根电极间则加有- ( 。+ 所f ) 。其中 。为直流电压，“f 为射频电压。四根棒状电极形成一个四级电场。保持。瞻 不变的情况下改变诈f ，对应于一个砟f 值，四级电场只允许一种荷质比的离 子通过，其余离子则振幅不断增大，最后碰到四级杆而被吸收。通过四级杆 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 的离子到达检测器被检测。改变k f 值，可以使另外荷质比的离子顺序通过 四级场实现质量扫描。设置扫描范围实际上是设置v r f 值的变化范围。当诈f 值变化时，检测到的离子就会从m t 变化到m 2 ，便得到m l 到m 2 的质谱。 1 4本文研究意义、主要内容及创新点 等离子体科学不但是一门重要的基础研究，它还与能源、材料、环保、 国防、电子、生物等高科技技术领域有密切联系。其中低温等离子体具有活 性的气氛，各向异性的能量分布，大量的带电粒子和激发态粒子，高能流密 度等独特的性质，广泛应用在新材料制备和等离子体加工领域n 引。而螺旋波 等离子体源作为逐渐发展起来的低气压、高密度的新型等离子体源，虽然目 前处于实验室研究领域，但由于激发的等离子体密度高、均匀性好、约束磁 场低等优点在超大规模集成电路工艺、新型功能薄膜材料制备及材料表面改 性等领域具有广泛的应用前景7 。6 扪。因此研究螺旋波等离子体为等离子体科 学与技术的发展起到重要的推动作用。 在等离子体化学气相沉积工艺中，等离子体内部状态的微小差别会对制 各出的薄膜的质量和特性产生巨大影响，对等离子体状态参数进行诊断对了 解等离子体薄膜制备机理具有重要的参考价值。而等离子体通常在一定的宏 观实验条件下产生，一定的宏观条件影响着等离子体状态，等离子体的状态 则决定了制备出的薄膜的品质他6 ”1 ，因此在不同实验条件下诊断等离子体状 态参数，并研究等离子体状态随宏观实验参数的变化规律不仅有利于深入了 解等离子体发生机理，而且为优化等离子体工艺，等离子体薄膜制备最佳条 件的选取提供有利参考。 等离子体状态参数中，等离子体密度与温度最重要，对薄膜制备过程影 响最大。对于螺旋波等离子体，等离子体密度在低气压便可激发较高的密度， 高密度是螺旋波等离子体最突出的优点。在低气压下，电子温度远远大于其 他粒子温度，等离子体处于非平衡态，不能用统一的温度来描述等离子体， 需要用多种温度综合描述等离子体所处状态川“，。l a n g m u i r 探针法和发射光 谱法具有各自的优点而广泛用于等离子体诊断，是诊断等离子体密度与温度 的常用方法。然而由于边缘效应l 圳“，传统探针难以测出明显而广阔电流饱 和区域，实验中探针特性曲线在高电压偏离理想的平直趋势，传统的数据处 理方法不能直接对实验未能得到的数据进行合理地外推，结果随意性较大， 对于低压下的非平衡等离子体，电子能量偏离m a x w e l l 分布钉删，传统探 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 针方法误差较大，光谱法对等离子体没有合适的定量分析理论 m ”删，等等。 为解决上述问题，本文综合采用两种方法对螺旋波氢等离子体进行诊断 并研究。采用扫描探针副诊断，初次使用双曲正切函数的指数变化模型，拟 合数据，根据d r u y v e s t e y n “”探针分析方法得出并研究电子密度、有效电子 温度和电子能量几率函数随宏观实验参数的变化规律；同时采用发射光谱法 诊断氢b a l m e r 系谱线，结合谱线强度根据日冕模型 2 5 - 2 7 一川定性分析激发态原 子密度的变化规律，按照b l o t z m a n n 图| 6 3 ”。引得出氢原子激发温度，分别分析 f u l c h e r 带幢5 ”制和g b 带”1 ，求取激发态分子振动和转动温度，得出三种温 度随实验参数的变化规律并作简要分析。 因此本文的创新点在于采用快速扫描以得到相对明显的电流饱和区域， 同时采用自身带有数据外推的拟合函数平滑数据，减小探针边缘效应的影响 而使结果更加准确；综合考虑多种温度以全面描述非平衡等离子体内部能量 分布；同时用两种方法诊断并分析能够更加准确全面地得到等离子体状态参 数等等。本工作有利于深入研究螺旋波等离子体理论，为等离子体薄膜制备 工艺提供有利的基础参考和非平衡态等离子体的研究。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2螺旋波等离子体源与诊断实验 2 1螺旋波等离子体源 b o s w e l l 于1 9 7 0 年首先利用螺旋波产生了等离子体，它是一种新型高密 度低温低压等离子体源，。在此之前的十年中，人们首先研究了螺旋波在固 体中的传播，然后研究了它在气相等离子体中的传播，之后c h e n 承担了随 后的进展工作，并于1 9 9 1 年给出了关于螺旋波传播和吸收的详细理论h 引哺”。 2 1 1 螺旋波的传播 在等离子体中，由于等离子体不稳定性自发产生或被施加电磁场而产生 波。而在磁化等离子体中，等离子体为各向异性的介质，波的本征模式满足 色散关系3 ”， t a n 2 0 = 面- e f ( n 2 面- r ) 矿( n 2 习- l ) ( 2 - 1 ) ( 占，2 一皿) ( 2 一占，) 、7 式中为等离子体折射率，定义为光速与波相速度之比，即n = c k 0 9 ，c 是 光速，k 是波矢，c o 是角频率，日为是波矢k 与磁场b 的夹角， r = 1 一国乙肛( 国一c o s o ) ，l = l + 国卵2 0 9 ( 0 9 + 0 9 c ec o s o ) 。波的传播方向分与外磁场 平行和垂直两种。其中，根据平行于外磁场传播的波( 0 = 0 ) 的色散关系有三 个解：( 1 ) 占，= 0 ，此时c o = 国。，与等离子体振荡对应；( 2 ) n 2 = l ，表示与 电子回旋运动方向相反的左旋圆偏振波；( 3 ) n 2 = r ，得出电场沿着电子回 旋运动方向的右旋圆偏振波，其中，低于离子回旋频率( “) 的波过渡为 阿尔芬波；低于电子回旋频率的波( - - o c t 国 ) 为电子回旋波，而电子回旋 波的低频部分( 缈 ) 为哨声波，忽略位移电流“1 ，公式( 2 - 1 ) 可表 示为口町 珲：竺l( 2 2 ) 一= = - - - 二- - - - 一 - l 国0 9 0 9 c o s 0 式中目为波矢与磁场的夹角，后，后。分别为平行和垂直于轴的波矢。电子等 离子体频率为= h o e 2 s o m 和电子回旋频率分别为= e b m 。硒岛= i c 2 ，g o 为真空磁导率，岛为真空介电常数，式( 2 2 ) 可表示为 船，：e a o n 0 0 9( 2 。3 ) 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 式中刀d 为等离子体密度。螺旋波模式是由与b 成同一( 固定) 角度传播得多 个低频哨声波叠加而成的，尽管螺旋波具有复杂的横向模式结构，其色散关 系与哨声波相同。假设等离子体密度分布均匀，在绝缘介质为边界( r = r ) ， 尺为半径的放电管中产生的的螺旋波满足阳刀 m k j m ( k 上r ) + k z r j = ( k r ) = 0 ( 2 - 4 ) 式中l 为贝塞尔函数。 目前已经开发出来的螺旋波等离子体源主要靠m = 0 和m = l 两种模式激 发。在m = 0 模式中，场强是轴对称的，而在m = l 模式中，场强沿螺旋方向 变化。这两种模式均可以产生时间平均轴对称的场强。如图2 1 所示e b o 一 七， a ) m = 0 曰d 一乞一 b )m = l 图2 - 1螺旋波模式在轴向5 个不同的位置处的横向电场 f ig2 - 1 t r a n s v e r s eeie c t ricfieid ina xiai u n d e rh ei c o nm o d e a ) 、b ) 分别给出了m = 0 和m = l 模式中的横向电场模式以及这些模式沿z 方 向传播时的变化方式。在没有衰减的螺旋波模式中，天线将电磁波的能量耦 合给横向电场或磁场来产生等离子体中的螺旋波。 由式( 2 4 ) 可以求解七。r 并可将其写为t k 的函数，并可以得到无穷多个 解，每个解反映不同的径向场的变化形式，如图2 2 所示h ”。 在任何实验室放电系统中，都可能同时激发几个模式。为简单起见，考 虑图2 1 所示的第一个径向模式。令m = 0 ，有以f 七r 1 = 0 ，则有 尼i 尺= 3 8 3( 2 5 ) 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 其中乞k 司以取任慈值。l 司理，聊2 1 时，存在两种极端，令t = n 时， 定 义此时密度为n o = 刀；，如图2 - 2 可知，屯= k 2 5 r 。当也 t 时，k r = 3 8 3 ， 比= t 乞，n o k 时，t r = 2 4 1 ，坛= ，n o 嚆，为高密度等离子体，螺旋波轴 向波长满足关系 屯= 等_ ( 嚣厂 图2 - 2螺旋波模式中也j - 厅关于k , k 的变化 f i g2 - 2 v a ri a t i o no f 也上斤w i t hk , ku n d e rh e i i c o nm o d e ( 2 - 7 ) 2 1 2 螺旋波的吸收 当螺旋波沿着柱状等离子体传播时，螺旋波模式中的能量是通过碰撞和 无碰撞的( 朗道) 阻尼传递给等离子体中的电子的。前一种机制中，能量主 要传递给那些处于热平衡的( 较冷的) 电子，后者则倾向于加热那些处于非 热平衡的电子，使其能量远高于处于热平衡的电子温度。在高气压碰撞吸收 机制也许会居于主导地位，但是，在低气压下碰撞吸收过程非常弱，不可能 成为能量注入的主要方式。在朗道阻尼过程中，波将能量传递给速度接近波 的相速度1 ，砌= w k = 的电子。对于螺旋波模式的朗道阻尼，c h e n 阳7 1 估计其有效 碰撞频率y m 为 v l d 2 兀缈f 3e x p ( - ( 2 ) ，f l ( 2 8 ) 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 v t o ( m a x ) 1 4 5 w ，f 1 2( 2 - 9 ) 式中f = w l ( k ：2 ) ，i ) t h = ( p z m ) 2 ，m 为电子质量。f 随着密度的增加而 减小，当f 1 时，在磁场恒定条件下，随电子密度的增加而增加。但是， 在典型的螺旋波等离子体源中，f 可能比1 小或者大约为1 ，因此，随着 刀的增加也可能减小。总的有效碰撞频率可以写为 v t = 屹+ ( 2 - 1 0 ) 这里，屹是电子中性粒子和电子离子碰撞速率之和。对于螺旋波模式的阻 尼，波的轴向衰减长度口，。1 在低密度( 七，七) 条件下为 口：一l 粤 ( 2 - 1 1 ) ，上y r 在高密度条件下( 七， 七) 为 哎。1 孕 ( 2 - 1 2 ) 托z y r 为了将能量有效地传递给电子，需要口，一，。这里，是螺旋波等离子体 源的腔体长度。通过选择天线长度乙，使之满足恕万乞时，则可利用朗道 阻尼来加热电子。这些电子的能量与波的相速度相对应的能量很接近，即 锯三1 册( 2 ( 2 1 3 ) 锯一册( _ 一j -i z i jj 2、红7 、 如果选择占在电离截面峰值附近，那么每产生一个电子离子对造成的碰撞能 量损失8 。都可以减小到一个非常小的值，约为电离能量占。：的两倍。在同样的 吸收功率情况下，这样做可以使等离子体密度有明显的提高。 朗道阻尼的吸收机制在螺旋波中已有实验证据，但其他一些吸收机制， 如电子被俘获在一个大振幅的螺旋波中加热，或者电子通过 t r i v e l p i e c e g o u l d ( t g ) 模式l5 引呻2 “，的激发被加热，也可能是将波的能量转 换为电子的重要机制。电子在一个电场为云= 瓴s i n ( k z z 一国f ) 的波中的运动方 程为 等：鸭：p c o t )(214)m s i n ( k c o t = p 岂n，z i ：z - 防2 ”“、 将上式变换到以波的相速度= 屯移动的参照系下，令z = z - - o p h f 和 也= 哆一u 础，可以得到一个具有钟摆运动形式的方程 g：一eeo一(2-15)m s m k = 一= 一2 斑z 2 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 积分后可得 n = 譬( c 。s - 1 ) 峨屹 ( 2 - 1 6 ) 这里= 2 ( e e oi k z m ) 1 7 2 是俘获宽度，0 z 。是t = o 时刻的初始速度。电子在相空 间( 纵轴为眨，横轴为k z z - c o t ) 中的运动如图2 - 3 所示1 ，一z 。：，一+ 0 、。j j 。? ，j _ j j 。j j ? 。j - j 、 、，7 。 ， ，7 一。 - ， 弋4|。 7 j p 一 6 。疗 乞( 叫 4 图2 - 3电子在大幅度螺旋波中的俘获 f i g2 - 3 e i e c t r o nc a p t u r ei nw id er a n g eh e ii c o nw a v e 图中的虚线表示两个区域的分界线。在分界线之外的电子没有被波场俘获， 当它们在波场中运动( 口一6 时) ，其能量只有很小的振荡，处在分界线以内 的电子则被约束在波场中。在实验室坐标系下，它们被周期性地加速到很高 的能量( c d ) ，其速度在c 处的也。和d 处的2 d 砌一也。之间不断振荡。初始 速度为0 曲一，并在后：z c o t = 0 时( 例如，t = o 时电子注入的位置为螺旋波天 线附近，即z = o ) 注入的电子获得的能量增益最大。这些电子从e 运动到， 那里它们获得的新的速度为u 曲+ 。于是这些电子的能量增益为 1 1 e a 6 = 寺所( u 砷+