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用Langmuir探针对射频(13.56 MHz)感应等离子体进行了诊断,给出了Ar等离子体轴向和径向参数随气压的变化。采用发射光谱测量了等离子体中氩原子的750.3nm谱线强度随气压在轴向的变化,其变化趋势与Langmuir探针测量结果的变化趋势相一致。测量了氩离子的434.8nm谱线强度随气压在轴向的变化并获得了氩离子的434.8nm谱线强度与氩原子的430.0nm谱线强度的比值在轴向三个不同位置的变化。从测得的结果可知:在放电室中上部形成了均匀稳定的高密度等离子体,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变化明显。     

采用发射光谱和朗缪尔探针诊断低温低压氢等离子体

 使用发射光谱诊断法和Langmuir探针诊断法,测量了螺旋波激发等离子体化学气相沉积装置中产生的氢等离子体的发射光谱和电流-电压曲线。运用日冕模型和Druyvestey方法,对不同放电参数条件下激发态氢原子密度﹑等离子体密度及电子能量分布的变化规律进行了研究。结果表明：激发态氢原子密度随射频功率增大而增大,随工作气压的增大先增大,后缓慢下降。等离子体密度随射频功率增大线性增大,随工作气压的增加也是先增大,出现峰值后缓慢下降。电子平均能量随射频功率的变化是先增大,后达到平衡;随着工作气压的增大逐渐减小。两种诊断方法得到的结果基本相符。在低温低压等离子诊断中,两种诊断方法结合使用,可以得到更准确和更多的等离子体信息。     

双频容性耦合等离子体相分辨发射光谱诊断

采用相分辨发射光谱法, 对双频容性耦合纯Ar和不同含O₂量的Ar-O₂混合气体放电等离子体的鞘层激发模式进行了探究. 在射频耦合电源上极板的鞘层区域处观察到两种电子激发模式: 鞘层扩张引起的电子碰撞激发模式和二次电子引起的电子碰撞激发模式; 并发现这两种激发模式均受到低频射频电源周期的调制. 在纯Ar放电等离子体中, 两种激发模式的激发轮廓相似; 而在Ar-O₂混合气放电等离子体中, 随着含O₂量的增加, 二次电子的激发轮廓变弱. 此外, 利用相分辨发射光谱法对不同含O₂量的Ar-O₂混合气放电下Ar的 750.4 nm谱线的平均低频电源周期轴向分布进行了研究, 得到了距耦合电源上极板约3.8 mm处为双频容性耦合射频等离子体的鞘层边界. 关键词： 双频容性耦合等离子体 等离子体鞘层 发射光谱     

等离子体发射光谱诊断用于射频磁控溅射GaP薄膜的工艺参数优化

以GaP为靶材、Ar为工作气体,采用射频磁控溅射法制备了厚层GaP膜.对沉积过程中的辉光放电等离子体进行了发射光谱诊断,发现只有ArⅠ发射谱线.研究了工艺参数对发射谱线强度的影响规律,并在此基础上通过同时改变射频功率、Ar气流量及工作气压,使ArⅠ发射谱线强度保持相同.发现通过增大射频功率、减小工作气压而保持ArⅠ发射谱线强度不变可以提高GaP膜的沉积速率,并使GaP膜的沉积工艺参数得到优化.在优化后的工艺参数下制备出了符合化学计量比、红外透过性能好的厚层GaP膜. 关键词： GaP薄膜 射频磁控溅射 等离子体发射光谱 红外透射     

甚高频激发的容性耦合Ar+O_2等离子体电负特性研究

利用探针辅助的脉冲激光诱导负离子剥离诊断技术对掺入5%O_2的容性耦合Ar等离子体电负特性进行了诊断研究.首先详细解析了脉冲激光剥离后探针的电信号,分析了探针偏压在低于或高于空间电位下的探针收集信号特征;根据探针偏压与探针收集信号之间的依赖关系,用来描述Ar+O_2等离子体电负特性的等离子体电负度被定义为脉冲激光剥离出的电子电流与偏压高于空间电位的探针收集到的背景电子电流的饱和比值,并对等离子体电负度随放电气压、射频功率以及轴向位置的变化进行了诊断测量.实验结果表明等离子体的电负度随着射频功率的增加而减小、随着放电气压的上升而变大;由于非对称电极的分布特性,在轴向方向上靠近功率电极时等离子体电负度有升高的趋势,这种趋势可能与鞘层边界附近二次电子的动力学行为以及负离子的产生与消失过程有关.     

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基于OOPIC软件,对平面直流磁控溅射放电等离子体进行了二维自洽粒子模拟,重点研究了磁场、阴极电势和气压等工作参数对磁控放电特性的影响。模拟发现,在一定的工作参数范围内,随着磁场的增强,鞘层厚度变窄,鞘层电势降减小,阴极离子密度增大,但是分布变窄;随着阴极电势的增加,鞘层厚度稍微变窄,鞘层电势降增大,阴极离子密度增大,分布变宽;随着气压的升高,鞘层厚度基本不变,鞘层电势降会增大,阴极离子密度先增大后减小,分布略微变宽。     

气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性的影响

环境气体的压强对激光诱导等离子体特性有重要影响.基于发射光谱法开展了气体压强对纳秒激光诱导空气等离子体特性影响的研究,探讨了气体压强对空气等离子体发射光谱强度、电子温度和电子密度的影响.实验结果表明,在10-100 kPa空气压强条件下,空气等离子体发射光谱中的线状光谱和连续光谱依赖于气体压强变化,且原子谱线和离子谱线强度随气体压强的变化有明显差别.随着空气压强增大,激光击穿作用区域的空气密度增加,造成激光诱导击穿空气几率升高,从而等离子体辐射光谱强度增大.空气等离子体膨胀区域空气的约束作用,增加了等离子体内粒子间的碰撞几率以及能量交换几率,并且使离子-电子-原子的三体复合几率增加,因此造成原子谱线OⅠ777.2 nm与NⅠ821.6 nm谱线强度随着气体压强增大而增大,在80 kPa时谱线强度最高,随后谱线强度缓慢降低.而离子谱线N Ⅱ 500.5 nm谱线强度在40 kPa时达到最大值,气体压强大于40 kPa后,谱线强度随压强增加而逐渐降低.空气等离子体电子密度均随压强升高而增大,在80 kPa后增长速度变缓.等离子体电子温度在30 kPa时达到最大值,气体压强大于30 kPa后,等离子体电子温度逐渐降低.研究结果可为不同海拔高度的激光诱导空气等离子体特性的研究提供重要实验基础,为今后激光大气传输、大气组成分析提供重要的技术支持.     

感应耦合等离子体的1维流体力学模拟

 采用双极扩散近似的流体力学模型，通过数值模拟方法研究了射频感应耦合等离子体(ICP)中等离子体密度和电子温度等物理量的空间分布，其中射频源的功率沉积由动力学理论给出。分析了不同的射频线圈的驱动电流和放电气压对等离子体密度和电子温度空间分布的影响。在低气压下，等离子体密度基本上保持空间均匀分布。随着放电压强的增加，等离子体密度的分布呈现出明显的空间不均匀性。当线圈电流增大时，等离子体密度和电子温度都随着增大。     

带有射频偏压源的感性耦合Ar/O2/Cl2等离子体放电的混合模拟研究

在刻蚀工艺中,通常会在感性耦合等离子体源的下极板上施加偏压源,以实现对离子能量和离子通量的独立调控.本文采用整体模型双向耦合一维流体鞘层模型,在Ar/O₂/Cl₂放电中,研究了偏压幅值和频率对等离子体特性及离子能量角度分布的影响.研究结果表明:当偏压频率为2.26 MHz时,随着偏压的增加,除了Cl^-离子和ClO⁺离子的密度先增加后降低最后再增加外,其余带电粒子、O原子和Cl原子的密度都是先增加后基本保持不变最后再增加.当偏压频率为13.56和27.12 MHz时,除了Cl^-离子和Cl₂⁺离子外,其余粒子密度随偏压的演化趋势与低频结果相似.随着偏压频率的提高,在低偏压范围内(<200 V),由于偏压源对等离子体加热显著增加,导致了带电粒子、O原子和Cl原子的密度增加;而在高偏压范围内(>300 V),由于偏压源对等离子体加热先减弱后增强,导致除了Cl₂⁺离子和Cl^-     

碰撞效应对入射到射频偏压电极上离子能量分布和角度分布的影响

考虑了离子与中性粒子的弹性碰撞和电荷交换碰撞效应,建立了一套描述射频等离子体鞘层动力学特性的自洽模型,并利用MonteCarlo模拟方法研究了入射到电极上的离子的能量分布和角度分布.数值结果表明:随着放电气压增加,入射到电极上离子的能量分布逐渐地由双峰分布变成单峰分布,而且低能离子的数目也逐渐地增加.入射到电极上的离子呈小角分布,而且放电气压等参数对角度分布的影响不是太明显. 关键词： 射频放电 等离子体 离子 鞘层     

Nonlinear dynamics of radio frequency plasma processing reactorspowered by multifrequency sources

The source frequency has a strong influence on plasma characteristics in RF discharges. Multiple sources at widely different frequencies are often simultaneously used to separately optimize the magnitude and energy of ion fluxes to the substrate. In doing so, the sources are relatively independent of each other. These sources can, however, nonlinearly interact if the frequencies are sufficiently close. The resulting plasma and electrical characteristics can then be significantly different from those due to the sum of the individual sources. In this paper, a plasma equipment model is used to investigate the interaction of multiple frequency sources in capacitively and inductively coupled RF excited plasmas. In capacitively coupled systems, we confirmed that the plasma density increases with increasing frequency but also found that the magnitude of the DC bias and DC sheath voltage decreases. To produce a capacitively coupled discharge having a high plasma density with a large DC bias, we combined low and high frequency sources. The plasma density did increase using the dual frequency system as compared to the single low frequency source. The sources, however, nonlinearly interacted at the grounded wall sheath, thereby shifting both the plasma potential and DC bias. In inductively coupled plasmas (ICP), the frequency of the capacitive substrate bias does not have a significant effect on electron temperature and density. The DC bias and DC sheath voltage at the substrate were, however, found to strongly depend on source frequency. By using additional RF sources at alternate locations in ICP reactors, it was found that the DC bias at the substrate was varied without significantly changing other plasma parameters, such as the substrate sheath potential     

微腔等离子体放电过程的数值研究

采用2维自洽完全流体模型,数值研究了阳极为通孔的高气压微腔放电结构中等离子体参数的变化过程。模拟结果获得了当氩气压强为13.3 kPa时,放电中的电势分布、等离子体密度分布、径向电场分布和电子温度分布等重要参数的演化过程。模拟结果表明在放电过程中,阴极附近的电场由轴向电场逐步转变为径向电场,等离子体密度最大值位于放电腔中间处,并随时间推移由阳极附近向阴极附近移动,电子温度的最大值出现在阴极环形鞘层区域。     

Simulation of radio-frequency atmospheric pressure glow discharge in γ mode

The existence of two diffe1：ent discharge modes has been verified in an rf （radio-frequency） atmospheric pressure glow discharge （APGD） by Shi [J. Appl. Phys. 97, 023306 （2005）]. In the first mode, referred to as a mode, the discharge current density is relatively low and the bulk plasma electrons acquire the energy due to the sheath expansion. In the second mode, termed γ mode, the discharge current density is relatively high, the secondary electrons emitted by cathodc under ion bombardment in the cathode sheath region play an important role in sustaining the discharge. In this paper, a one-dimensional self-consistent fluid model for rf APGDs is used to simulate the discharge mechanisms in the mode in helium discharge between two parallel metallic planar electrodes. The results show that as the applied voltage increases, the discharge current becomes greater and the plasma density correspondingly increases, consequentially the discharge transits from the a mode into the γ mode. The high collisionality of the APGD plasma results in significant drop of discharge potential across the sheath region, and the electron Joule heating and the electron collisional energy loss reach their maxima in the region. The validity of the simulation is checked with the available experimental and numerical data.     

Spatial variation behaviors of argon inductively coupled plasma during discharge mode transition

A Langmuir probe and an ICCD are employed to study the discharge mode transition in Ar inductively coupled plasma. Electron density and plasma emission intensity are measured during the E (capacitive discharge) to H (inductive discharge) mode transitions at different pressures. It is found that plasma exists with a low electron density and a weak emission intensity in the E mode, while it has a high electron density and a strong emission intensity in the H mode. Meanwhile, the plasma emission intensity spatial (2D image) profile is symmetrical in the H mode, but the 2D image is an asymmetric profile in the E mode. Moreover, the electron density and emission intensity jump up discontinuously at high pressure, but increase almost continuously at the E to H mode transition under low pressure.     

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基于感应耦合等离子体(ICP)技术设计了一套用于在硅基片上制作形成超浅结的等离子体浸没注入(PIII)系统。该ICP PIII系统工作腔室为圆柱形,采用射频功率源,注入偏压源为一脉冲直流电压源,系统与Langmiur探针相连。探针诊断结果表明,该系统的等离子体离子密度达到1017m-3,离子密度径向均匀性达到3.53%。硼和磷的超低能注入试验的二次离子质谱测试结果表明：掺杂离子注入深度在10nm左右,最浅的注入深度为8.6nm(在注入离子密度为1018cm-3时);注入离子剂量达到了1015cm-2以上;掺杂离子浓度峰值在表面以下;注入陡峭度达到了2.5nm/decade。     

Effect of Cathode and Anode Voltage on an Ion Sheath Thickness in a Magnetically Confined Diffusion Plasma

This article reports about the ion sheath thickness variation occurring in front of a negatively biased plate immersed in the target plasma region of a double plasma device. The target plasma is produced due to the local ionization of neutral gas by the high energetic electrons coming from the source region (main discharge region). It is observed that for an increase in cathode voltage (filament bias voltage) in the source region, the ion flux into the plate increases. As a result, the sheath at the plate contracts. Again, for an increase in source anode voltage (magnetic cage bias), the ion flux to the plate decreases. As a result, the sheath expands at the plate. The ion sheath formed at the separation grid of the device is found to expand for an increase in cathode voltage and it contracts for an increase in the anode voltage of the main discharge region. One important observation is that the applied anode bias can control the Bohm speed of the ions towards the separation grid. Furthermore, it is observed that the ion current collected by the separation grid is independent of changes in plasma density in the diffusion region but is highly dependent on the source plasma parameters. (© 2008 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

两种温度电子对稳态等离子体鞘层的影响

建立包含冷热电子的无碰撞等离子体鞘层的流体模型,利用数值模拟研究含有两种温度电子时等离子体鞘层的产生.结果表明:对于含有两种不同温度电子的稳态等离子体,冷电子的温度越低或者冷电子的含量越多,鞘边离子的马赫数临界值就越小,鞘层的宽度就变得越窄,沉积器壁的离子动能流也就越少.此外,研究不同种类的等离子体(Ar、Ke、Xe),鞘层厚度和离子沉积器壁动能流受冷电子的影响.     

13.56 MHz/2 MHz柱状感性耦合等离子体参数的对比研究

通过Langmuir双探针和发射光谱诊断方法,对比研究了驱动频率为13.56 MHz和2 MHz柱状感性耦合等离子体中电子密度和电子温度的径向分布规律.结果表明:在高频和低频放电中,输入功率的增加对等离子体参数产生了不同的影响,高频放电中主要提升了电子密度,低频放电中则主要提升了电子温度.固定气压为10 Pa,分别由高频和低频驱动时,电子密度的径向分布均为"凸型".而电子温度的分布差异比较明显,高频驱动时,电子温度在腔室中心较为平坦,在边缘略有上升;低频驱动时,电子温度随径向距离的增加而逐渐下降.为了进一步分析造成这种差异的原因,在相同放电条件下采集了氩等离子体的发射光谱图,利用分支比法计算了亚稳态粒子的数密度,发现电子温度的径向分布始终与亚稳态粒子的径向分布相反.继续升高气压到100 Pa,发现不论高频还是低频放电,电子密度的径向分布均从"凸型"转变为"马鞍形",较低气压时电子密度的均匀性有了一定的提升,但低频的均匀性更好.     

悬浮液雾化进样感耦等离子体基本参数研究——Ⅱ等离子体电子密度测定

研究了悬浮液雾化进样感耦等离子体原子发射光谱基本参数-等离子体电子密度的测定。实验使用Stark效应常用的谱线H_β线来计算等离子体电子密度。测定结果表明悬浮液雾化进样同水溶液雾化进样感耦等离子体原子发射光谱时等离子体电子密度没有发生显著的变化,数值基本上为1015数量级。固含量高达10％ TiO₂悬浮液雾化进样等离子体原子发射光谱,电子密度测定结果仅有微小的降低。高固含量悬浮液雾化进样等离子体原子发射光谱没有显著地影响等离子体电子密度,有助于使用高固含量悬浮液雾化进样等离子体原子发射光谱来进行痕量元素分析测定。     

感应耦合等离子体中和枪的电子引出特性研究

给出了一种感应耦合等离子体源的设计,用于等离子体中和枪装置。通过实验方法研究等离子体源的电子引出特性,并结合理论分析了等离子体密度随射频功率的变化关系。研究结果表明等离子体源的电子引出特性与放电腔内气压有关联性,E?H模式转换中电子密度的变化与负载的电感值相关。研究成果对等离子体中和枪的发展有重要的参考价值。