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     

甚高频激发容性耦合氩等离子体的电子能量分布函数的演变

甚高频激发的容性耦合等离子体由于离子通量和能量的相对独立可控而受到人们的关注. 本文采用朗缪尔探针诊断技术测量了40.68 MHz激发的容性耦合Ar等离子体的特性(如电子能量概率分布、电子温度和密度等)随宏观参量的演变情况. 实验结果表明, 电子能量概率分布随着气压的增加从双麦克斯韦分布逐步转变为单麦克斯韦分布并最终演变为Druyvesteyn分布, 而射频激发功率的增加促进了低能电子布居数的增强; 在从等离子体放电中心移向边界的过程中, 低能电子的布居数显著下降, 而高能电子的布居则有所上升; 放电极板间距的变化直接导致了等离子体中电子加热模式的转变. 另外, 我们也对等离子体中的高低能电子密度和温度的分配情况进行了讨论.     

电子温度各向异性对螺旋波m=1角向模功率沉积特性的影响

采用一般的径向密度非均匀分布假设,借助温等离子体介电张量模型,利用磁化等离子体中电磁波的一般色散关系,在高密度峰值、低磁场、低气压典型参量条件下,重点分析了电子温度各向异性对螺旋波m=1角向模功率沉积特性的影响.研究结果表明:在典型螺旋波等离子体电子温度范围(3, 8) e V内,电子有限拉莫尔半径效应应当予以考虑,而离子有限拉莫尔半径效应可以忽略.低磁场条件下|n|> 1次回旋谐波对介电张量元素的贡献可以忽略.碰撞阻尼在功率沉积中占据主导地位,功率沉积在偏离等离子体柱中心轴的某一径向位置出现峰值,随着轴向电子温度T_{e, z}的增大,功率沉积强度逐渐增强.相比等离子体温度各向同性情形,等离子体温度各向异性显著改变了螺旋波m=1角向模的功率沉积特性,电子温度各向异性因子χ=T_e,⊥/T_{e, z}的增大或减小均导致功率沉积强度发生剧烈改变.     

射频感应耦合Ar-N2等离子体物理特性的Langmuir探针测量及理论研究

分别通过Langmuir探针测量和动力学模型模拟方法研究了射频感应耦合Ar-N₂等离子体中电子能量分布、电子温度、电子密度等物理量随N₂含量的变化规律.实验研究结果表明：电子能量分布呈现出非Maxwell型分布,并由双温分布向三温分布过渡;电子温度在不同的气压下随N₂含量的增加呈现出不同的变化规律.在放电气压小于1.3 Pa时,电子温度随N₂含量的增加而下降;当气压大于1.3 Pa时,电子温度随N₂关键词： 感应耦合等离子体 2混合气体放电')" href="#">Ar-N₂混合气体放电 电子能量分布 Langmuir探针     

电子温度各向异性对螺旋波等离子体中电磁模式的传播及功率沉积特性的影响

采用考虑粒子温度各向异性热等离子体介电张量模型,借助磁化、均匀密度分布等离子体中电磁波的一般色散关系,在低磁场、低气压螺旋波等离子体典型参量条件下,理论分析了电子温度各向异性对电磁模式传播特性和角向对称模功率沉积的影响.研究结果表明:对于给定的纵向静磁场B₀(或波频率ω),存在一个临界波频率ω_cr(或纵向静磁场B_0,cr),当ω>ω_cr(或B₀0,cr)时,电子回旋谐波遭受的阻尼开始显著增大;相比粒子温度各向同性情形,粒子温度各向异性彻底改变了波的传播特性,即相位常数和衰减常数均出现峰值现象;在考虑电子有限拉莫尔半径效应和电子温度各向异性情形下,Trivelpiece-Gould (TG)波碰撞阻尼在整个电磁波功率沉积中占据主导地位,电子纵向温度T_e,//存在某一临界值,在此临界值处TG波功率沉积出现峰值P_abs,TG,且随着T_e,⊥/T_e,//的减小,...     

Langmuir双探针诊断Ne辉光放电管电子密度

应用Langmuir双探针诊断理论,对充有氖气的石英放电管中的辉光放电等离子体进行了诊断,通过实验测得伏安特性曲线,计算得出电子温度和电子密度,讨论了等离子体的宏观参量与电子温度和电子密度的关系.采用直径为0.1 mm的探针对等离子体进行诊断,不仅减小了对所测等离子体区域的扰动,而且减小了读取伏安特性曲线所带来的误差.     

H2对N2直流辉光放电电子行为的影响

通过用Monte Carlo方法模拟N₂-H₂ 混合气体直流辉光放电等离子体快电子行为，从不同H₂浓度的电子能量分布函数，电子密度以及e_f-N₂碰撞率等方面，研究了加H₂对氮辉光放电等离子体过程的影响. 研究结果表明: 随着H₂浓度的升高，电子的平均能量增加, 电子密度及e_f-N₂的各种非弹性碰撞率减小; 但在 关键词： 2-H₂辉光放电')" href="#">N₂-H₂辉光放电 Monte Carlo模拟 2碰撞率')" href="#">e-N₂碰撞率     

电负性气体的掺入对容性耦合Ar等离子体的影响

本文利用朗缪尔静电探针对掺入了电负性气体O₂, Cl₂, SF₆的由4068 MHz激发的单射频容性耦合Ar等离子体进行了诊断测量. 测量结果表明: 随着电负性气体流量的增加, 电子能量概率分布函数出现了高能峰, 高能峰且有向高能侧漂移的现象; 电负性气体掺入Ar等离子体后显著降低了等离子体的电子密度; 电子温度随着电负性气体流量比的增加而升高. 另外, 本文还测量了掺入三种电负性气体后在不同流量比下的混合气体等离子体的电负度α . 对实验现象进行了初步的解释. 关键词： 电负性等离子体 电子密度 电子温度 电负度     

远程Ar等离子的发射光谱研究

远程等离子体可以有效避免电子与离子碰撞产生的刻蚀作用,加强自由基反应,取得更好的改性效果,在膜材料领域具有重要的应用价值。为了更加深入研究远程等离子体中电子状态及其变化规律,采用发射光谱法对远程Ar等离子体进行了诊断,研究了射频功率、反应腔室内压强、距放电中心距离对远程Ar等离子体发射光谱强度、电子密度和电子温度的影响。结果表明,在690～890 nm区域中特征峰较为集中,由ArⅠ原子谱线占主导,且谱线强度的变化规律和电子密度的变化规律相同。通过玻尔兹曼斜率法选取3条ArⅠ谱线计算了不同放电参数下的电子温度。电子温度随射频功率、反应腔室内压强、距放电中心距离的改变而改变。射频功率从30 W增加到150 W时,电子温度从3 105.39 K降低至2 552.91 K。压强从15 Pa增加到25 Pa时,电子温度从3 066.53 K降低到2 593.32 K,当压强继续增加到35 Pa时,电子温度则增加至2 661.71 K。在距放电中心0～10 cm处由于等离子体电位增大,电子温度上升,而10 cm后电子温度不断下降在距放电中心80 cm处趋于0 K。通过分析ArⅠ696.894谱线的...     

大气压双频氦气放电等离子体特性的数值研究

用一维流体模型研究了大气压双频氦气放电等离子体的特性。数值模拟的结果表明,在单、双频放电中,随着应用电压的增加,电子密度和放电电流都增加。相对于单频放电,双频放电中低频源的耦合效应使得放电中的电流以及电子密度降低。随着低频源电压峰值的增加,电子密度降低,离子通量,电子损失能量以及电子吸收能量均降低;但电子温度和电势随着低频源电压峰值的增加而增加。在相同低频源电压下,随着高频源电压的增加离子流非线性增加。     

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     

ICP等离子体鞘层附近区域发光光谱特性分析

为了独立控制鞘层附近区域离子密度和离子能最分布,采用光发射谱(OES)测量技术,对不同射频功率、放电气压和基底偏压下感应耦合等离子体鞘层附近区域辉光特性进行了研究.原子谱线和离子谱线特性分析表明,在鞘层附近区域感应耦合等离子体具有较高的离子密度和较低的电子温度.改变放电气压和射频功率,对得到的光谱特性分析表明,鞘层附近区域离子密度随射频功率的增大而线性增大,在低压下随气压的升高而增大.低激发电位原子谱线强度增加迅速,高激发电位原子谱线强度增加缓慢,而离子谱线强度增加很不明显.改变基底直流偏压,对得到的发射光谱强度变化分析表明,谱线强度随基底正偏压的增加而增大.随着基底负偏压的加入,谱线强度先减小而后增大;直流偏压为-30 V时,光谱强度最弱.快速离子和电子是引起Ar激发和电离过程的主要能量来源.     

Particle-in-cell/Monte Carlo simulation of radio frequencySiH4/H2 discharges

In this paper we report on a study of SiH₄/H₂ radio-frequency discharges using the particle-in-cell/Monte Carlo (PIC/MC) method. A special procedure based on the rate balance for negative ions has been developed to speed up the simulation for this kind of electronegative discharge. The electron energy distribution function and the angular and energy distribution function of ions arriving at the substrate have been studied at different discharge settings (frequency, pressure, voltage, and power). The simulations show that the electrons are heated ohmically, so the average electron energy can be increased only by increasing the voltage. A high radical density, a high and more directional ion flux, and a low average ion energy can be obtained by a combination of a high frequency and a low RF voltage. The behavior of the dissociation rate with the discharge parameters is consistent with the experimentally observed consumption of SiH₄. The simulated ion energy distribution functions are in good agreement with experimental results     

空气中空心阴极不同放电模式下的发光特性

为了进一步揭示空心阴极放电中放电模式的转换机制,特别是空心阴极放电过程中自脉冲的形成机理,利用柱型空心阴极放电结构,在空气环境下研究了放电处于不同模式时的发光特性。测量得到了不同放电模式下的伏安特性曲线、放电发光图像、自脉冲阶段的脉冲波形等。实验结果表明随着放电电流的增加放电分为汤生放电模式、自脉冲放电模式、正常辉光放电模式和反常辉光放电模式。虽然所用电源为直流电源,但在自脉冲放电阶段电流和电压随时间呈周期性变化。实验结果表明在不同的放电模式下具有不同的发光特性。在由汤生放电转换为自脉冲放电模式和由自脉冲模式转换为正常辉光放电模式过程中,放电腔的径向中心处和轴向孔口附近均存在光强的突变。实验同时在200～700 nm范围内测量得到了不同电流时的发射光谱。结果表明发射光谱主要集中在330～450 nm,主要包括氮分子的第二正带系(C3Π_u→B3Π_g )和氮分子离子的第一负带系（B2Σ+_u→X2Σ+_g）。其中氮分子离子第一负带系具有较强的发射光谱。由于B2Σ+_u激发电位较高,因此该谱带较强发射光谱的存在表明空心阴极放电较其他放电形式更容易获得高激发态粒子和高能量电子。在650～700 nm附近存在一弱的发光谱带,主要为氮分子的第一正带发射谱（B3Π_g→A3Σ+_u）。在此基础上根据双原子光谱发射理论,结合氮分子第二正带系的三组顺序组带：Δν=-1,-2和-3,利用玻尔兹曼斜率法计算得到了不同放电模式下氮气的分子振动温度。结果表明在实验电流范围内分子振动温度在3 300 K左右,随着电流的增加而升高,并且在自脉冲消失时存在一突变迅速增强。由于电子能量、电子密度与分子振动温度密切相关,因此该结果也表明随着放电电流的增加电子平均能量和电子密度不断增加,当脉冲消失时,电子平均能量和电子密度出现跃变升高。最后,对空心阴极放电中自脉冲的形成机理进行了讨论,结果表明自脉冲放电源于放电模式的转换。     

Impact of gate offset in gate recess on DC and RF performance of InAlAs/InGaAs InP-based HEMTs

A set of 100-nm gate-length InP-based high electron mobility transistors (HEMTs) were designed and fabricated with different gate offsets in gate recess. A novel technology was proposed for independent definition of gate recess and T-shaped gate by electron beam lithography. DC and RF measurement was conducted. With the gate offset varying from drain side to source side, the maximum drain current (I_ds,max) and transconductance (g_m,max) increased. In the meantime, f_T decreased while f_max increased, and the highest f_max of 1096 GHz was obtained. It can be explained by the increase of gate-source capacitance and the decrease of gate-drain capacitance and source resistance. Output conductance was also suppressed by gate offset toward source side. This provides simple and flexible device parameter selection for HEMTs of different usages.     

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采用Langmuir探针法结合发射光谱法对螺旋波诱导的低压氢等离子体进行诊断,根据Druyvesteyn 方法和日冕模型分析电子能量几率函数(EEPF)、有效电子温度(Teff)、电子密度(ne)及激发态氢原子密度(nH*)随实验参数的变化规律.结果表明:随射频功率(Prf)、气压(p)和约束磁场(B)的增大,EEPF峰位由高能向低能移动,Teff 下降;当Prf从25W增大至35W左右时,ne发生跳跃增长,而nH*始终随Prf增大线性增长;随p增大,ne和nH*都呈现先增加后减小的变化规律;随B增强,ne线性增长,而nH*先增大后减小.     

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Based on one dimensional fluid model, the characteristics of helium plasma discharge driven by dual frequency at atmospheric pressure were studied. The results show that the electron density and discharge current increase with power voltage both in single frequency discharge and dual frequency discharge. In comparison with single frequency discharge, the discharge current and electron density in dual frequency discharge are lowered due to the coupling of low frequency source. As the voltage of low frequency source increases, the electron density, ion flux, electron energy dissipation, as well as electron heating decrease, whereas electron temperature and potential increase. As the voltage of high frequency source increases, the ion flux nonlinearly increases at the same voltage of low frequency source.     

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.     

介质阻挡放电系统复合气隙中三种放电丝的光谱研究

介质阻挡放电系统（DBD）作为一个典型的非平衡气体放电系统,不仅在工业生产如低温等离子体生产和发光等方面被广泛应用,而且该系统表现出的非线性现象、自组织现象也吸引人们的关注。DBD系统中放电丝的等离子体参量受诸多因素影响,为了探究DBD系统的放电条件对等离子体参量的影响,该实验重新设计放电单元以保证在其他实验条件相同的情况下,对放电气隙间距和气体组分与等离子体参数之间的关系展开研究。本实验的放电单元为一个平板型玻璃框架气隙,该气隙由三个厚度均为1.2 mm,放电区域边长分别为40,30和20 mm的正方形玻璃框架复合而成,因此该放电气隙有三个放电区域,将此复合气隙放置于可调节气体成分和压强的真空室内,可以同时产生三种放电气隙间距分别为1.2,2.4和3.6 mm的等离子体放电丝。高速录像机拍摄的瞬时照片表明三种放电丝均为随机放电丝,即其放电类型均为流光放电。在垂直于放电气隙平面的方向设置光路,使用聚焦透镜获得清晰的成像,移动光纤探头实现空间分辨并采集数据。实验用光谱仪采集三种等离子体的氮分子第二正带系(C3Π_u→B3Π_u) 谱线,根据谱线强度计算得到各类放电丝的分子振动温度;利用谱线中包含的氮分子离子N+₂第一负带系谱线(391.4 nm)和氮分子第二正带系394.1 nm谱线强度的比值反应放电丝中电子平均能量;改变气室内氩气的含量,得到了三种等离子体的分子振动温度和电子平均能量的变化趋势。实验结果表明：在氩气含量0%~60%区间内,随着氩气含量的增加,三种等离子体的分子振动温度均先升高后降低,整体趋势表现为相同氩气含量下放电气隙间距越小分子振动温度越高,即1.2 mm气隙厚度中的放电丝的分子振动温度最高,2.4 mm气隙厚度次之,3.6 mm气隙厚度的最低;随氩气含量的增加放电丝的平均电子能量先升高后降低,氩气含量相同时气隙厚度越小的放电丝的电子平均能量越高,即1.2 mm气隙厚度中放电丝的电子平均能量最高,2.4 mm气隙厚度的次之,3.6 mm气隙厚度中的最低。实验结果对于研究DBD系统中等离子体参量、工业生产等方面具有重要的参考意义。