（物理电子学专业论文）静电探针测试系统的研制.pdf

摘要 近2 0 年来，随着薄膜集成电路，等离子平面显示器及其他光电子器件的发艘， 非晶硅薄膜在太阳能电池、薄膜晶体管、挂壁式显示器、彩色复印机终端等大面积平 面显示中得到了重要的应用。等离子刻蚀技术，等离子体激活化学气相沉积( p c v d ) 技术等在微细加工中越来越显示出其加工精度高，性能稳定的特点，在集成电路，等 离子平面显示器及其他光电子领域获得了广泛的应用。加工精度的好坏和等离子体中 的电子、离子密度，能量分布和平均能量等等离子体的参数特性有直接的关系，因此 对等离子体放电参数进行诊断，不仅对等离子体的基础研究，而且对应用等离子体的 工艺技术的改进也是十分必要的。 静电探针是最广泛用来测量等离子体特性的一种诊断工具。本文系统的介绍了静 电探针测量技术。该测量技术经济实用，且可根据需要改变探针形状及转动探针方向， 探针可置于等离子体反应室的任意位置，从而可测出反应室空间内的等离子体特性参 数。由此可见该测量技术对等离子体应用研究具有十分熏要的意义。静电探针测试系 统的研制就是为了帮助实验人员方便准确迅速的对等离子体放电参数进行诊断。 整个测试系统主要由四部分组成，分别为p c i 总线数据采集卡、等离子体诊断探 针扫描驱动电源、探针电压和电流检测电路以及光电隔离电路，其中核心部分为p c i 总线数据采集卡和等离子体诊断探针扫描驱动电源。计算机系统则实现探针扫描的控 制和数据的采集及处理。 本论文系统论述了静电探针测试系统的工作原理、整体方案设计( 硬件设计、软 件设计) 、系统研制与调试和现场实际测试结果，论文中还提出了一些改进思想，如 在a d ( 模数转换) 和扫描电流检测模块中使用改进型产品，进一步的提高系统性能。 本论文的主要创新之处包括： 1 采用接口芯片p c i 9 0 5 2 设计p c i 总线数据采集卡 p c i 9 0 5 2 是一款常用的p c i 总线目标接口芯片，其最大特色是带有一个i s a 接几， 可以实现i s a 总线到p c i 总线的平滑过渡，这为目前仍存在的f s a 总线插件移植到p c i 总线上提供了极大的方便，因而能够有效降低接口设计的难度，缩短开发周期。 2 采用p a 4 2 设计等离子体诊断探针扫描电源 p a 4 2 是美国a p e x 公司推出的一种高电压单片场效应管大功率运算放大器，使用该 器件可在提高可靠性的同时取得以前需在混合设计中才能达到的性能，满足了静电探 针测试系统扫描电压变化范围宽，电源功耗大等要求。同时，本论文解决7 p a 4 2 实 际应用中的一些关键技术问题。 3 采用双电源和光电隔离电路 采用双电源( 其中探针扫描电源采用浮地) 和光电隔离电路，解决了直流辉光放 电等离子体装置和静电探针测试系统共地时“双探针”模式无法正常运行的难题。同 时，采用了电路隔离的措施以后，电路还能够取得良好的抑制噪声的效果，使设备符 合电磁兼容性的要求。 a b s t r a c t d u r i n g t h el a s t2 0 y e a r s ，a l o n gw i t h t h e d e v e l o p m e n t o f t h et h i nf i l m i n t e g r a t e dc i r c u i t ，p l a s m ap l a n em o n i t o ra n do t h e ro p te l e c t r o n i cd e v i c e s ， a m o r p h o u s s i l i c o n t h i n - f i l mh a sb e e n g r e a t l ya p p l i e d t ob i gs c r e e n ss u c ha s s o l a r b a t t e r y ，t h i n 。f i l mt r a n s i s t o r ，w a l l - m o u n tm o n i t o ra n d c o l o r p r i n t e r t e r m i n a l t h ep l a s m a s c u l p t u r et e c h n o l o g ya n dp c v d t e c h n o l o g y a r e g r a d u a l l yd e m o n s t r a t i n g t h e i rc h a r a c t e r s o f h i g h p r e c i s i o na n ds t a b i l i t yi nt h e t i n y p r o c e s s i n gi n d u s t r y ，a n da r ew i d e l ya p p l i e d t ot h ei n t e g r a t e dc i r c u i t ， p l a s m ap l a n e m o n i t o ra n do t h e r o p t e l e c t r o n i cf i e l d s t h el e v e lo f p r o c e s s i n g p r e c i s i o n i sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h e p a r a m e t e r si nt h ep l a s m a ，s u c ha sd e n s i t y ， e n e r g y a l l o c a t i o na n d a v e r a g ee n e r g y o ft h ee l e c t r o n sa n d a n i o n s t h e r e f o r e ， d i a g n o s i n gp l a s m ad i s c h a r g ep a r a m e t e r i sc r i t i c a li nt h ef u n d a m e n t a ls t u d yo f p l a s m a a n dt h ei m p r o v e m e n to f p l a s m at e c h n o l o g y s t a t i ce l e c t r i c i t yp r o b ei st h em o s tu s e f u li n s t r u m e n tt ot e s tp l a s m a c h a r a c t e r i s t i c s t h i sa r t i c l es y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e st h es t a t i ce l e c t r i c i t y p r o b es u r v e yt e c h n o l o g y t h i st e c h n o l o g y i se c o n o m i ca n d p r a c t i c a l t h e s h a p e a n d t u m i n g d i r e c t i o no f p r o b ec a n b ea d j u s t e di f n e c e s s a r y t h ep r o b e c a na l s ob e p l a c e d a ta n yl o c a t i o ni nt h e p l a s m a r e a c t i o nc h a m b e r ，t o a c q u i r e t h ep a r a m e t e r so f p l a s m a w i t h i nt h er e a c t i o nc h a m b e r t h u s ，t h i st e c h n o l o g y p l a y s a n i m p o r t a n tr o l ei nt h ea p p l i c a t i o ns t u d y o f p l a s m a t h eg o a lo f s t a t i c e l e c t r i c i t yp r o b es u r v e ys y s t e mr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t i st oa s s i s tt h e l a b o r a t o r yt e c h n i c i a n st od i a g n o s ep l a s m ad i s c h a r g ep a r a m e t e r sc o n v e n i e n t l y a n d p r o m p t l y t h ew h o l e s u r v e ys y s t e m i sc o n s i s t e do ff o u r p a r t s ，w h i c ha r ep c im a i n l i n ed a t a g a t h e r i n gc a r d ，p l a s m a d i a g n o s i n gp r o b es c a n n i n gp o w e rs o u r c e ， p r o b ev o l t a g ea n de l e c t r i cc u r r e n te x a m i n a t i o ne l e c t r i cc i r c u i t ，a n d p h o t o e l e c t r i c i t yi s o l a t i o ne l e c t r i cc i r c u i t a m o n gt h e m ，t h ec o r ei sp c im a i n l i n ed a t ag a t h e r i n gc a r da n d p l a s m ad i a g n o s i n gp r o b es c a n n i n gp o w e r s o u r c e t h ef u n c t i o no f c o m p u t e rs y s t e m i st oc o n t r o l p r o b es c a n n i n ga n d t oc o l l e c t a n d p r o c e s s d a t a t h i sa r t i c l es y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e st h ew o r k i n g p r i n c i p l e ，o v e r a l l s c h e m a t i cd e s i g n ( h a r d w a r e d e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n ) a n d o n s i t et e s t i n g r e s u l to f t h es t a t i ce l e c t r i c i t yp r o b e s u r v e ys y s t e m n e w i d e a sh a v ea l s ob e e n r a i s e dd u r i n gt h ed e s i g np r o c e s s ，s u c ha sa p p l y i n gi m p r o v e d p r o d u c t s t oa d ( a n a l o g - t o d i g i t a lc o n v e r s i o n ) a n ds c a n n i n g e l e c t r i cc u r r e n td e t e c t i o nm o d u l e ， s oa st of u r t h e ri m p r o v et h es y s t e m p e r f o r m a n c e w h i l e m a k i n g n o a d j u s t m e n t t h e m a j o r i n n o v a t i o n se x p o u n d e di nt h i sa r t i c l ei n c l u d e ： 1 p c im a i nl i n e b a s e dd a t a g a t h e r i n g c a r dw i t ht h ec o n n e c t i o n c h i p n a m e dp c i 9 0 5 2 p c i 9 0 5 2i st h ep c i a g r e e m e n t t h a tt h ep l x t e c h n o l o g yc o m p a n y d e v e l o p sf r o m t h e p a t t e r n c o n n e c t i o nc h i p ，w h i c hc a nr e a l i z et h es m o o t ha n d c o m p l e t et r a n s f o r m a t i o nf r o mi s am a i nl i n et op c im a i nl i n e t h i sa r t i c l e m a i n l y e l a b o r a t e dt h ea p p l i c a t i o n d e v e l o p m e n tp r o c e s so f p c i 9 0 5 2u n d e rt h e i s a p a t t e r n b yt h i sw a y ，w e c a nc o m p l e t et h ed e s i g nm o r e e a s i l ya n d m o r e q u i c k l y 2 d e s i g np l a s m ad i a g n o s i n gp r o b es c a n n i n gp o w e rs o u r c ew i t hp a 4 2 p a 4 2i sa h i g h p r e s s u r e dp o w e ra m p l i f i e rp r o d u c e db ya p e x ，u s a i t h a sh i g hv o l t a g e ，g r e a t p o w e r ，l i t t l eq u i e s c e n t c u r r e n ta n dg r e a t o u t p u te l e c t r i c c u r r e n t b e s i d e s ，t h ep r i c ei sv e r yl o w t h i sa r t i c l ed e s c r i b e st h ep r o b l e m si n t h ed e s i g no f p l a s m a & ”a g n o s m g p r o b es c a n n i n gp o w e r s o u r c eb y u s i n gp a 4 2 ， a n di n t r o d u c e si nd e t a i lt h ep r i n c i p l ei ns e l e c t i n g p e r i p h e r yp r i m a r y d e v i c eo f p a 4 2a n dt h ep r o b l e m gn e e dt ob e p a i da t t e n t i o nt ow h i l ea p p l y i n gp a 4 2 i n t e s t i n g t h ed e s i g n 3 d o u b l ep o w e ra n dp h o t o - e l e c t r i c i t yi s o l a t i o ne l e c t r i cc i r c u i t d o u b l ep o w e ra n d p h o t o - e l e c t r i c i t yi s o l a t i o ne l e c t r i cc i r c u i t i st h ek e y t ot h ep r o b l e mt h a tt h e d e v i c ec a n tr u ns m o o t h l yi nl a n g m u i r d o u b l e - p r o b e s y s t e m w h e nt h es t a t i ce l e c t r i c i t yp r o b e s u r v e ys y s t e ma n dd c e l e c t r i c d i s c h a r g ep l a s m a i n s t a l l ss h a r et h ec o m m o n g r o u n d f u r t h e r m o r e ，t h r o u g h t h i sw a y ，t h ee l e c t r i cc i r c u i tc a nb e t t e rc o n t r o lt h en o i s e s ，w h i c hm a k e st h e e q u i p m e n tp o s s e s se l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 致谢 本论文是在我的导师吴瑞生副教授的悉心指导和热情关怀下完成的，吴老师严谨 的治学学风和求实的态度令我受益匪浅，特别是吴老师一丝不苟、精益求精的科学精 神更是让我终身难忘。 首先，我要感谢吴老师在论文选题方面对我的指导。吴老师在系统的整体方案和 硬软件的设计、样机调试及现场实际测试过程中，给予我认真细致的指导。 其次，我要感谢已经毕业的李f 平博士，他在课题的研究过程中给予我很大的帮 助和支持，本设计的顺利完成离不开他耐心的指点和积极的配合。 我还要感谢近代物理系的朱晓东副教授在实验方案的设计、装置的调试，曹会详 教授和万树德副教授在测试系统验收等方面给予的指点和帮助。另外，在长时问的实 际测试中，汪海实验师给予我们大力的支持和配合，在此也向他表示衷心的感谢。 最后，衷心感谢我的父母多年来在生活上对我的关心，在学业上对我的支持和鼓 励。我还要向教育和培养我的中国科学技术大学表达我最真诚的谢意。 王胡舰 2 0 0 5 5 1 静电探针测试系统的研制 第一章等离子体概述 冰升温至oo c 会变成水，如果继续使温度上升至【o o e ，那么水就会沸腾成为水 蒸气。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 三种物态的转化过程，我们把这三种基本形态称为物质的三态。那么对于气态物质， 温度升至几千度时，将会有什么新变化呢? 由于物质分子热运动加剧，相互问的碰撞 就会使气体分子产生电离，这样物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组 成的混合物( 蜡烛的火焰就处于这种状态) 。我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大致相等，总体来看为准电中性。反过来，我们可以把等 离子体定义为：正离子和电子的密度大致相等的电离气体。 从刚才提到的微弱的蜡烛火焰，我们可以看到等离子体的存在，而夜空中的满天 星斗又都是高温的完全电离等离子体。据印度天体物理学家沙哈( mo s a h a ，1 8 9 3 一】9 5 6 ) 的计算，宇宙中的9 9 9 的物质处于等离子体状态。而我们居住的地球倒是例外的温 度较低的星球。此外，对于自然界中的等离子体，我们还可咀列举太阳、电离层、极 光、雷电等。在人工生成等离子体的方法中，气体放电法比加热的办法更加简便高效， 诸如荧光灯、霓虹灯、电弧焊等等。等离子体的密度从1 0 6 ( 单位：个m 3 ) 的稀薄星 际等离子体到密度为10 2 5 的电弧放电等离子体，跨越近2 0 个数量级。其温度分却范 围则从1 0 0k 的低温到超高温核聚变等离子体的1 0 8 1 0 9 k 。 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n e ，n i ，n n ，由于( 准电中性) ， 所以电离前气体分子密度为n e 。n n 。于是，我们定义电离度b = n e ( n o + n n ) ， 以此来衡量等离子体的电离程度。r 冕、核聚变中的高温等离子体的电离度都是1 0 0 ， 像这样0 = 1 的等离子体称为完全电离等离子体。电离度大于1 ( 0 1 0 1 ) 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( b t i ，t e 7 f n 。我们把 这样的等离子体称为低温等离子体( c o l dp l a s m a ) 。当然，即使是在赢气压下，低温 等离子体还可以通过不产生热效应的短脉冲放电模式来生成。 p l a s m a 的基本参数有电子温度t e 、电子密度1 3 e 、离子温度t j 、离子密度n j 、 中性粒子温度t a 、中性粒子密度r l a 对等离子体的诊断和测试方法很多，如 1 “打进去”的方法：探针、微波等方法 2 “拉出来”的方法：光谱法( 发射光谱、激光诱导荧光光谱、拍照) 3 “打进去”+ “拉出来”的方法 其中静电探针( 又称l a n g m u i r 探针) 因其结构简单，能在大的条件范围工作以及 能对等离子体的各个部位进行测量等优点而得到了广泛的应用早在2 0 世纪2 0 年代， l a n g m u i r 探针就开始应用于等离子体的诊断。静电探针理论相当复杂，但简单条件下， 可以从探针的伏安特性曲线计算出等离子体的电子温度、密度、空间电位和悬浮电位 等重要参数。特别是在低温等离子体研究中，它是一种极其有用的诊断工具。 在应用l a n g m u i r 探针进行诊断时，通过测量探针的伏安特性( v i ) 曲线) ，可以 确定出等离子体参数。 中国科学技术大学硕士论文t 2 0 0 5 1 静电探针测试系统的研制 第二章静电探针系统的建立及工作原理 2 1 静电探针系统的原理 l - 热阴极直流辉光放电产生等离子体原理 ( 1 ) 热电子发射 所有的物体里都含有大量的电子，大使这些电子在常态下都不足以逸出物 体。因此，要把它们从物体中释放出来，必须另外给予他们能量。加热物体是其中的 种方式。通过加热，电子在物体内无序热运动的能量随温度的升高而增大，其中的 电子就能克服它们势垒而逸出物体。在没有外场的时候，电子必须胜过全部势垒才能 逸出。严格地讲，则必须脱离金属表面达到无限远才算真正逸出。当有外加电场时， 使金属表面势垒变形，使逸出功减少了： m ：兰一p e ：3 7 9 x 1 0 5 西。矿) q 4 ，：r e o e 的单位是伏米。这种外电场使逸出功下降的现象称做肖特基效应，具体表现 $ 一a o 在使发射电流增大上，此时，= a t 2 p ” ( 2 ) 热阴极d c 放电产生等离子体的基本原理 图2 1 1 热阴极d c 放电等离子体装置的示意图 图2 1 一l 中两个电源，一个用于阴极加热，使其发射电子，另一个加在阴极与 阳极2 _ f 日q ，加速电子使电子有足够的动能，电子在从阴极到阳极运动过程中，通过与 中性粒子的非弹性碰撞交出能量，使中性粒子激发和电离，电离产生的电子和原来的 电子在电场中受到加速增加动能，继续参与与中性粒子的碰撞电离，即在这种放电过 中国科学技术大学硕士论文 2 0 0 5 l 静电探针测试系统的研制 程中处在电子雪崩过程，所以用这种方法产生等离子体时，可以用较低的放电电压产 生较大的放电电流。 2 静电探针的使用及等离子体参数的测定 朗缪尔探针( l a n g m u i rp r o b e )是等离子体诊断的基本手段之一。为了 搞清朗缪尔探针的工作原理，首先让我们柬考察一下一根悬浮地插入等离子体中的金 属丝会出现什么现象。 一 叠 图2 1 2 插入等离子体内的悬浮金属 如图2 一l 一2 所示，真空室内以某种 方式建立起了等离子体，金属丝( m e t a lt i p ) 悬浮地插入其中。我们知道，等离子体内电子 的质量远比离子的质量小，两其运动速度远比 离子高。这一基本事实将导致在悬浮地插在等 离子体中的金属丝上会积累相当数量的负电 荷，以致产生明显的悬浮负电位。定量分析如 下： 根据分子运动论，可知在单位时间内落在金属丝表面单位面积上的粒子数遵 循余弦定律； 冬- - - e ： 吼( 1 ) 百2 百吼”一一u j 盟：! n 记 d t4 其中n 。为电子密度，1 2 。为离子密度 热运动速度。 ( 2 ) 砭为电子平均热运动速度，巧为离子平均 ( 1 ) 、( 2 ) 两式两边均乘以电子电荷e ，可得流向金属丝的电子电流密度j 。 与离子电流密度j ，的表达式： l ，e = j e 疗c v e 1一 j r = i p 胛- v ( 3 ) ( 4 ) 我们知道瓦，瓦，故j 。 j 。 因此，金属丝刚插入等离子体内的极短时间内 中国科学技术大学硕士论文 2 0 0 5 1 4 静电探针测试系统的研制 金属丝表面会出现净的负电荷。该负电荷产生的电场排斥电子而吸引正离子。过程平 衡时，金属丝的电位为v r 。设等离子体空划电位为v 。则在v 扩v ，作用下，j 。= j 。 vr 即为悬浮地插入的金属丝的悬浮电位。 显然，v ， = v ：。时，探针电流到达电子饱和电流；而当v 。( v ：。 时，探针电流按指数函数衰减。故在i v 曲线上会出现一拐点，此拐点对应的横坐标 即为等离子体空间电位v 。，( 实验上拐点有时并不十分明显，其原因后面讨论) ，i v 特性曲线与横坐标的交点即为悬浮电位v ，。此处流经探针的电子电流与离子电流大 中国科学技术大学硕士论文 2 0 0 5 】 静电探针测试系统的州制 小相等而方向相反。 2 、 求电子温度 既然在过渡区，探针电流l 。与鞘层电场( v 。一v 。) 之间是指数函数关系，即 吐吐o e x p 掣 故上式取对数，可得 型i l n 铲。 七t 9 “ 弘等等 ( 9 ) ( 1 0 ) 这就是说，如果将实验测得的i v 特性曲线取半对数( 即纵坐标取对数，变为 l n i 。，而横坐标仍为v ) ，得l n l 。= f ( v 。) ，则在过渡区内，l n i 。与v 应呈线性关系， 该直线的斜率即为等离子体的电子温度( k t 。) 的倒数： ( 11 ) 3 、 求电子密度与离子密度 对应等离子体空间电位v 。的纵坐标即为电子饱和电流i 。它的表达式为 t 。= j , o a p = l e ? l e o 彳p 巧= 2 7 1 0 。9 爿p 厄 其中a 。为探针的表面积，以c m 2 为单位；i 。以m a 为单位；k t 。以e v 为单位。由 等离子体的电中性可知：i 3 i = n 。，故可求得离子密度n 。n 。与n 的单位是c 扩。 = 3 7 1 0 8 z 。0 ，两 一( 1 2 ) 4 、 求电子能量分布函数 既然在过渡区探针电流( 电子电流) 来自于对电子能量分布函数的积分，因此， 对实验测得的i - v 特性曲线的过渡区部分求微分即可得到电子的能量分布函数。 所以，由l a n g m u i r 单探针的i v 特性曲线可求得以下等离子体参教：等离子体 空间电位v 。、悬浮电位v ，、电子温度k t 。、电子密度n 离子密度n ，与电予能量分 布函数。 中国科学技术大学硕士论文 2 0 0 6 j 叫瓦 二一 畋一 f n = 灯 静电探针测试系统的研制 2 3l a n g m u i r 双探针的工作原理 双探针法是在单探针法基础上发展起来的，它是一种方便实用的测量电子温度的 有效手段。电子温度双探针测量的主要优点是： ( 1 ) 能够测得等离子体中某- d 体积范围内的电子温度； ( 2 ) 探针上的电子流始终小于饱和电子电流，且不超过饱和正离子电流，因此对 等离子区的干扰很小； ( 3 ) 双探针的电位不以放电电极作为参考点，因此可用于测量无电极放电的等离 子区； ( 4 ) 双探针测定电子温度与等离子空间电位无关，从而可以避免受等离子区空间 电位变化的影响。 双探针测量系统示意图如图2 - - 3 - - 1 所示，连续调节可调电阻r 。，可以得到探针 两端电压u d 与流经探针电流，d 之间的伏安特性曲线，如图2 - - 3 2 所示。如果两个 探针完全相同( 形状和表面积相同) ，它们所在的局部空间的等离子体是均匀的，并且 具有相同的等离子体电位。那么，在这样的条件下，两个探针之间不存在等离子体字问 电位差，因此其伏安特性曲线将是正负对称的。 注意：因为探针系统没有与等离子的地相连，所以双探针测定电子温度与等离 子空间电位无关。 图2 3 一l 双探针测量系统示意图 f i g2 - 3 - 1 s k e t c ho f d o u b l ep r o b e m e a s u r i n g 中国科学技术大学硕士论文 2 0 0 5 幻 拓1 一 1 ， 如 ： 图2 3 2双探针伏安特性曲线 s y s t e mf i g2 3 - 2 i d u dc u r v e s f o rd o u b l e 静电探针测试系统的1 p f 制 电子温度 在双探针中，根据基而霍夫电流定律，流入一个探针的电流必定从另个探针流 出，故有 l d = l i 0 2 一l e 2 = l e l l i 0 1 u d = u p l u 口2 ( 2 ) 式中l e l ，e 2 分别表示探针l 和探针2 的电予电流，i i 0 1 ，i i 0 2 分别表示探钊1 和探针2 的饱和离子流，u p l ，u p 2 分别表示探针l 和探针2 相对于等离子体的电位。 探针处于浮置状态时( u 。 0 ，u 。： o ) ，电子要克服探针表面负电位才能达到探针 表面，因此，电子电流将随负电位韵增加而减小。设鞘层内电子服从b o l t z m a n n 分布， 在鞘层外仍满足m a x w e l l 分布，故探针的电子流可表示为 南确p 剖 一 k 每面期 ( 3 ) ( 4 ) 式中心。，h 。：分别表示探针l 和探针2 鞘层外的电子密度，百，i 分别表示探针l 和探针2 鞘层外电子的平均速度：j 。，s ：分别表示探针i 和探针2 收集电子的有效面 积。考虑到两探针完全相同，它们所在局域等离子体参数一致，则由式( 3 ) 、式( 4 ) 和式 ( 2 ) 得 卧唧傺 将上式取对数，再对u d 求微商得 上盟一上盟：三 i nd u d j e 2d u d k t 。 ( 6 ) 将式( 1 ) 代入式( 6 ) ，并考虑到l i 0 1 ，f 0 2 基本不随u d 变化，且当双探针完全相同 时，i i o l 51 i 0 2 。1 矿得电子温度为 中国科学技术大学硕士论文 2 0 0 5 】 静l 乜 ；矗针测试系统的硎制 = 1 耳一 。2 2 别u 舻 d ，i 一 ( 7 ) 由此可见，只要测得双探针的伏安特性曲线，求出l d 2 0 处的斜率和值代入上式 即可得到电子温度。由于双探针电压的变化影响探针鞘层的厚度，从而又影响到离子 饱和电流的大小，。随u d 的增加而略有上升。因此，不有简单地在离子饱和区作一 切线与纵坐标的交点作为，。的值， 我们采用“三切线法”。如图2 3 3 所示，在特性曲线的过渡区和离子饱 和区各作3 条切线交于a ，b 两点，线 段a b 在横轴上的投影为a 。b l ，在纵 轴上的投影为一：b ：，则，。和斜率k 分别表示为 ，。o = a 2 8 2 2 ： k = a 2 8 2 a l b l 。 一2 f i 订出l 立一 一i 协 图2 3 3三切线法 f i g2 - 3 3m e t h o do f t h r e et a n g e n tl i n e s 等离子体密度 进入鞘层的离子流密度取决于鞘层的电势分布，而求鞘层的电势分布需解等离子 体鞘层方程。t o n k s ，l a n g m u i r ，h a r r i s o n ，t h o m p s o n s a s e l f 等人都为此做过许多工 作。下面仅以b o h m 鞘层模型及b o h m 判据作近似推导。根据b o h m 判据，进入鞘层的离 子能量必须大于女7 二2 ，在下列推导中取 去，规。v 。2 = e u = t ，( 8 ) 式中所为离子质量，为离子进入鞘层的速度，e u 为离子到达鞘层边缘的能 量，上式可变为 t 2 、i 中国科学技术大学硕士论文1 2 0 0 5 1 ( 9 ) l o 一 堂里堡笪! ! 塑墨笪塑型型 设介于等离子体和鞘层边缘之间的准中性过渡区中的离子服从b 。1 t ：m a n n 分布， 则 胁。n p e x p ( 一e u e ) 一0 0 ) 其中”，为等离子体密度，将式( 8 ) 代入式( 1 0 ) ，并将其结果与式( 9 ) 并代入离子 进入鞘层的电流密度公式 = 柙，p v ，得等离子体密度为 协3 3 2 等j 番( 1 ，) 式中s 为探针的表面积a 显然，只要将由式( 7 ) 计算得到的电子温度代入上式即，u 求得等离子体密摩。 电子温度双探针测量法的讨论 ( 1 ) 实验测量中常会出现非对称的双探针特性曲线，如下所示 l 母厂 强 。一一 ，”7 ，夕 专 。 黾 ，。 _ - _ _ ， 幽2 3 - 4 讯和萨离子电流小等的曲线 图2 - - 3 - - 5 彳i 通过原点的曲线 图2 - - 3 4 是两探针的饱和正离子电流不相等，出现这种情况的原因是由于两探针的 面积不相等。图2 3 5 是探针的特性曲线不过原点，即当v d = 0 时，仍有电流流过 探针回路，这是由于两探针所在处的等离子区电位不相等所致，它受制造精度的限制。 ( 2 ) 本位论述的双探针测量法，其特性曲线是通过快速扫描的方法测得，与常用 的逐点改变探针电压不同，不仅适用于测量稳态的放电等离子区电子温度，而且适用 于测量非稳态的放电等离子区电子温度。 中国科学技术大学硕士论文【2 0 0 5 l 静电探针测试系统的研制 第三章系统结构和设计指标 3 1系统结构 静电探针测试系统是一个数据采集和闭环控制系统，它连续的采集等离子体在线 性扫描电压下的导通电流信号，并且送到p c 机进行处理，得到相应的等离子体的电 子温度、密度、空问电位和悬浮电位等重要参数。图3 一l 为整个系统的结构框图， 分为计算机接口卡和系统机箱两部分。 计算棚部分静电屎针测试系9 淑箱 l + = ：蝴i l 竺竺 一 l r _ _ - 一黜 键| j l 一 一 盘p p a 按“ 广一 厂 i 酬 稍螺 p a 总光 il “n ，a 转椿审罡 ；l 一 总 线 地址赢 电 一勰 i ：= = ：= ：l 7 一 耕b 显 线 接 隔 壹叫= 不 口数据斜离 器 卡1电 路 图3 1 静电探针测试系统的结构框图 首先，由测试系统的应用软件控制，从计算机主板的i o 端口发出从o x 0 0 0 0 到 o x o f f f 的连续变化数字量，为d a 转换电路提供4 0 9 6 个不同的连续变化的数字信号。 其次，d a 转换电路根据变化的数字信号，产生连续变化的扫描电压( 一5 v 5 v ) ， 其线性要求较高。 再次，探针扫描电源电路将这个双极性的连续变化的电压根据需要，适当放大， 再把它加到等离子体的探针上，进行探针扫描测试。 然后，把携带了电子能量分布函数的信息( 即电子温度的信息) 与等离子体性质 其他信息的探针电流信号线性转变为电压信号，送到1 2 位的a d 转换电路，得到的探 针电流值再经过p c i 总线送回计算机 最后，根据静电探针的理论公式，应用软件会计算出所需要的等离子体性质信息， 提供给实验者。 中国科学技术大学硕士论文 2 0 0 5 】 静电探f t * j j 试系统的研制 3 2设计指标及要求 探针扫描电源：四个扫描量程一2 5 v + 2 5 v 、一5 0 v + 5 0 v 、一7 5 v + 7 5 v 、一t o o v + l o o v ； 最大探针扫描电流：1 6 m a ； 1 2 一b i td a c ，最大扫描电压范围1 0 0 v + 1 0 0 v ，扫描步长 0 0 5 v ； 1 2 一b i ta d c ，1 0 0k b s 的采样率； 计算机技术的发展促使了i s a 、e i s a 总线的淘汰，为了保证测试系统迸步 的升级和发展，应该采用基于p c i 总线的数据采集接口卡： 测试系统有以下功能： a 可以在软件中设置”扫描模式”。根据实验需要选取”单探针”模式或”双探引” 模式； b 。可以在软件中设置扫描电压量程和相应的探针电流量程； c 可以在量程范围内任意设置扫描电压起始值和终止值，扫描结束后在显示器 上描绘v i 特性曲线： d 可以把v i 特性曲线转化为数据表格文件显示； e 可以在软件中设置相关的计算参数。扫描结束后，可以计算出测量的等离子体 的温度、密度等特性参数； f 系统还具有”存盘”和“打印”实验记录( 以数据表格和图形形式) 等功能。 中国科学技术大学硕士论文 2 0 0 5 j 静电探针测试系统的研制 第四章静电探针测试系统的硬件电路设计 4 1 基于p c i 总线的数据采集卡的电路设计 一、概述 p c i 总线即外围部件互连总线，是一种先进的高性能3 2 6 4 位地址数据复用局部 总线，可同时支持多组外围设备，提高数据吞吐量( 3 2 位时最大可达1 3 2 m b s ) ，是当 今p c 领域中流行的总线。它具有严格的规范，只要符合p c i 规范的扩展卡插入任何 p c i 系统就能可靠地工作。但由于p c i 总线协议的复杂性，其接口的实现比v e s a 、i s a 和m g a 等总线要困难得多。目前实现p c i 接口的有效方寒主要是使用可编程逻辑器件 或使用专用总线接口器件。 采用可编程逻辑器件实现p c i 接口的最大好处是比较灵活，用户可以根据自己的 需要开发出适合于特定功能的芯片，而不必实现p c i 的全部功能。但这种方法难度较 大，设计周期较长。专用接口芯片具有较低的成本和通用性，能够有效降低接口设计 的难度，缩短开发时间，因此，它是进行小批量开发的首选方案。现有的p c i 接口芯片 主要有a m c c 公司的a m c c s 5 9 x x 系列和p l x 公司的p c i 9 0 5 x 系列。在p l x 系列产品 中，p c i 9 0 5 2 是一款常用的p c i 总线目标接口芯片，其最大特色是带有一个i s a 接口， 可以实现i s a 总线到p c 总线的平滑过渡，这为目前仍存在的i s a 总线插件移植到p c i 总线上提供了极大的方便。 图4 一i 一1 所示是p c i 9 0 5 2 的信号接口示意图，其主要功能与特性如下： i p c i 黧2 图4 - i lp c i 9 0 5 2 信号接u 示意图 中国科学技术大学硕士论文【2 d 0 5 l 静电探针测试系统的研制 符合p c i2 1 规范，支持低成本从属适配器： 带有五个局域总线地址空间和四个片选： 具有双向f i f o ，可用于零等待状态突发操作， p c i 总线的传输速度可高达1 3 2 兆字节秒： 持多路复用和非多路复用的8 位、1 6 位和3 2 位通用局域总线： 支持来自两个局域总线的中断所生成的p c i 中断： 可用串行e e p r o m 装载配置信息： 具有i s a 模式，支持p c i 总线到i s a 总线的单周期存储器( 8 位、1 6 位) 读写和 i o 访问： 二、硬件设计 在我们的静电探针测试系统中，原来的总线接口模块是基于j s a 总线的插卅：，端 口地址为o x i o o o x i o f ，总线宽度是1 6 位，可以实现模入模出，无中断功能。现在，我 们利用p c i 9 0 5 2 芯片的i s a 模式对原来的板卡进行升级改造。p c i 9 0 5 2 芯片有三种_ 1 ： 作模式，分别是c 模式、j 模式和i s a 模式。不同的模式下，9 0 5 2 的部分引脚功能有 不同的功能定义。通过配置寄存器设定，可将p c i 9 0 5 2 设定为i s a 接口模式。在此情 形下，通过8 位或1 6 位内存或i o 映射，可直接使p c i 总线和i s a 总线相连，实现i s a 总线到p c i 总线的平滑转换。p c i 9 0 5 2