低溫氮等離子體朗繆爾雙探針診斷

低溫氮等離子體朗繆爾雙探針診斷Abstract：ThelowtemperaturenitrogenplasmawasdiagnosedandanalyzedbyLangmuirdoubleprobemethod，andtheelectrondensityandelectrontemperatureofnitrogenplasmawereobtained.TheeffectofdifferentRFpower，dischargepressureandaxialdistanceonplasmaparameterswasstudiedbyLangmuirdoubleprobe.Theresultsshowedthatwhenthedischargepressureandaxialdistancewereconstant，theelectrontemperaturedecreasedwiththeincreaseofdischargepower;whentheRFpowerandaxialdistancewereconstan，ttheelectrontemperatureincreasedwiththeincreaseofdischargepressure;andwhentheRFpoweranddischargepressurewereconstant，theelectrontemperatureincreasedwiththeincreaseofaxialdistance.Ontheotherhand，theelectrondensityincreasedwiththeincreaseofpower，decreasedwiththeincreaseofpressure，anddecreasedwiththeincreaseofaxialdistance.Keywords：Lowtemperaturenitrogenplasma;Langmuirdoubleprobe;Electrontemperature;Electrondensity電感耦合等離子體是一種低氣壓、高密度等離子體。在材料處理方面如刻蝕和薄膜沉積方面，存在著技術(shù)上的優(yōu)勢。但以往的研究中由于儀器結(jié)構(gòu)、氣體類型、使用條件的不同，導(dǎo)致研究結(jié)果參考性較差。為更深入的研究電感耦合等離子體需要對ICP等離子體參數(shù)如離子密度ni、電子溫度Te進(jìn)行更深的了解。朗繆爾探針診斷法是應(yīng)用最早且最廣的等離子體診斷方法，人們對其進(jìn)行了大量研究和應(yīng)用。雙探針診斷法有一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)即流到系統(tǒng)的總電流絕對比飽和離子電流大。這是因?yàn)榱鞯较到y(tǒng)的電子電流與離子電流總是平衡的，可以避免單探針診斷過程中由于選擇的電壓范圍過大而使收集電流過大導(dǎo)致探針紅熱，甚至發(fā)射電子干擾測量的問題，從而對等離子體的干擾也大大減少M(fèi).Spolaore等利用探針法得到了等離子體的電子溫度（Te）和等離子體電勢（Vp）變化的相應(yīng)規(guī)律。池凌飛，姚若河等人[4,5]利用了探針的I-V曲線求解出了二次微商。高璇等利用Langmuir探針法對電感耦合產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行診斷，了解其放電特性，為等離子體在膜表面的改性方面提供了一些有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外，M.Tuszewski和J.A.Tobin根據(jù)探針曲線得到了低射頻頻率放電產(chǎn)生的等離子體離子的密度，結(jié)果表明與由微波干涉計(jì)測得的電子的密度相差不大。MariaYounus等也用探針法研究了射頻功率的大小，填充氣體壓力的強(qiáng)弱以及氣體流速的快慢對等離子參數(shù)的影響。本文通過不斷調(diào)節(jié)射頻功率、放電壓強(qiáng)、軸向距離等相關(guān)參數(shù)，診斷并分析低溫氮等離子體的電子溫度和電子密度等參數(shù)的變化情況，以期尋找電子溫度較高而電子密度低的氛圍，為等離子體改性高分子材料提供相關(guān)理論依據(jù)。1實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)過程中使用的射頻等離子體放電裝置示意圖由以下幾樣部分組成：（1）真空獲得設(shè)備;（2）真空腔室;（3）真空測量裝置;（4）進(jìn)氣裝置;（5）放電裝置。其中真空獲得設(shè)備由前級泵和高真空泵組成;真空室由分子泵緩沖室、真空閥門、真空管路、石英玻璃管和石英玻璃管密封法蘭等組成，高真空系統(tǒng)可以保證反應(yīng)體系純度;放電裝置由射頻匹配器、射頻源及計(jì)時(shí)控制器等組成進(jìn)氣裝置由流量顯示儀、質(zhì)量流量計(jì)、氣源、充氣閥及充氣管路等組成，具體連接順序如圖所示。該設(shè)備長1m,可以使等離子體中的各活性組分(自由基、電子、離子)進(jìn)行適當(dāng)分離，形成以自由基為主要成分的反應(yīng)區(qū),或者以電子、離子為主要反應(yīng)物的反應(yīng)區(qū),使研究者根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求采用不同的條件完成不同的反應(yīng)。對等離子體診斷有助于提高等離子體工藝和實(shí)際應(yīng)用,探究等離子體的產(chǎn)生機(jī)理并獲取詳細(xì)的等離子體信息。本設(shè)備可以達(dá)到10-5Pa的高真空，可以減少雜質(zhì)氣體的量,有利于準(zhǔn)確診斷等離子體,見圖1。采用愛爾蘭Impedans公司的ALPS2.0.2型Langmiur探針測試系統(tǒng)測定氮等離子體中的電子溫度及電子濃度。將Langmiur探針深入等離子體反應(yīng)器真空腔室中，其中探針為長10mm、半徑0.195nm的鎢絲。通過讀取Langmiur探針中刻度尺的數(shù)值把探針移動至等離子體真空腔室軸線的0、10、20、40、60和80cm處。通過軟件可調(diào)節(jié)加到探針上的掃描電壓、采集時(shí)間間隔，通過數(shù)據(jù)采集器獲得伏安特性曲線、電子溫度及電子濃度。進(jìn)行朗繆爾探針診斷時(shí)，為了使診斷更加準(zhǔn)確，連接電子控制箱并初始化后應(yīng)先設(shè)置以下參數(shù)：探針半徑(Proberadius)：0.195mm;探針長度(Probelength)：10mm;探針電阻(ProbeResistance)：2Q;分子質(zhì)量(IonMass)：28(檢測的為氮等離子體)氣壓(GasPressure)：指腔室內(nèi)真空的氣壓，根據(jù)不同條件氣壓填寫。通過改變軸向距離、射頻功率、放電壓強(qiáng)、放電中心位置，測量電子溫度及電子密度等數(shù)據(jù)，見圖2。2結(jié)果與討論不同射頻功率下的電子溫度與電子密度保持放電壓強(qiáng)為20Pa，放電中心距進(jìn)氣口10cm，軸向距離為20cm，實(shí)驗(yàn)分別設(shè)置射頻功率從20?160W不等，每增加20W測量一次。由圖看出，氮等離子等離子體放電過程中電子溫度隨射頻功率的增加而逐漸降低，在射頻功率為100W之后逐漸趨于穩(wěn)定。放電功率為20W時(shí)電子溫度達(dá)到最大值70000K。這是因?yàn)殡S著放電功率的增大，電子瞬間獲得的能量變大加劇了其活躍性，加深了電子與N2分子之間的碰撞程度，由于兩者的碰撞屬于非彈性碰撞，導(dǎo)致碰撞后并不能保持能量守恒，而是產(chǎn)生了能量的損失，從而電子溫度逐漸下降，見圖3。在氮等離子體放電過程中，保持放電壓強(qiáng)為20Pa，放電中心距進(jìn)氣口10cm,軸向距離為20cm,電子密度與射頻功率的關(guān)系如圖所示。由圖中看出，電子密度隨著射頻功率的增加增大。放電功率由30W增至200W,電子密度由2.62x1015m-3逐步增加至最大值3.57x1015m-3，這是由于射頻功率增加，電子能量也隨之增加，致使氮原子的電子躍遷幾率增加，因此電子密度逐漸呈現(xiàn)增大的趨勢，見圖4。不同放電壓強(qiáng)下的電子溫度與電子密度設(shè)置射頻功率為100W,放電中心距進(jìn)氣口10cm，軸向距離為20cm,電子溫度與放電壓強(qiáng)關(guān)系如圖所示。從圖中看出，電子溫度隨著放電壓強(qiáng)的增加而升高。當(dāng)放電壓強(qiáng)為10Pa時(shí)，電子溫度值最小，為2.1x104K;隨著放電壓強(qiáng)上升，電子溫度隨之增大，當(dāng)放電壓強(qiáng)增至45Pa時(shí)，電子溫度也達(dá)到最大值，8.8x104K。這是因?yàn)樵谏漕l功率為100W的條件下，放電壓強(qiáng)增大，電子獲得的能量增大并且電子和其他中性粒子之間的碰撞頻率減小，能量損耗的減少使得電子溫度逐漸升高，見圖5。實(shí)驗(yàn)設(shè)置放電中心距進(jìn)氣口10cm,軸向距離為20cm,射頻功率為100W,探究不同放電壓強(qiáng)對電子密度的影響。圖中探針采集到的不同放電壓強(qiáng)下電子密度的變化趨勢。從圖5中可看出，放電壓強(qiáng)從5Pa不斷增大到30Pa的過程中，等離子體電子密度從7x1015m-3逐漸降低至1.88x1015m-3。導(dǎo)致這一現(xiàn)象是因?yàn)榉烹妷簭?qiáng)變大讓單位體積中的電子離子獲得的能量增多，從而加大了彼此間相互碰撞和消亡的幾率產(chǎn)生猝滅，致使電子密度不斷降低，如圖6。不同軸向距離下的電子溫度與電子密度實(shí)驗(yàn)選取射頻功率為100W,放電壓強(qiáng)為20Pa,放電中心距進(jìn)氣口10cm處的氮等離子體，軸向距離以5cm為一個(gè)單位，測量了從5?50cm的電子溫度變化情況如圖7所示。由圖7可以看到，在該實(shí)驗(yàn)條件下，電子溫度隨遠(yuǎn)程軸向距離的增加先增大后減小，在軸向距離為20cm時(shí)電子溫度達(dá)到最大值為100987K,約8.7eV。這是因?yàn)殡S著軸向距離不斷變大和氣壓的持續(xù)下降，電子積聚的能量逐漸提高，激發(fā)態(tài)分子的產(chǎn)生幾率因電子碰撞幾率的提高而提高，進(jìn)而導(dǎo)致了電子溫度的增大，但是當(dāng)軸向距離持續(xù)拉大，氣體分子慢慢擴(kuò)散到腔體的全部空間，分子之間的無規(guī)則運(yùn)動狀態(tài)也更加劇烈，電子溫度的溫度變化就不再遵循這一規(guī)律，而是隨著軸向距離的逐漸增大，電子壽命的衰減程度隨之降低，見圖7。為了研究遠(yuǎn)程軸向距離與電子密度的關(guān)系，維持放電壓強(qiáng)20Pa,放電功率100W,放電中心距進(jìn)氣口10cm條件不變，實(shí)驗(yàn)檢測了軸向距離從0到50cm的電子密度變化情況如圖8所示。從圖8可以看出,在該條件下等離子體電子密度隨著遠(yuǎn)程等離子體軸向距離的增加而降低。電子密度從放電中心的6.9x1015m-3下降到軸向距離為50m處的0.3x1015m-3。這是因?yàn)殡S著軸向距離的增加，電子逐漸擴(kuò)散，其壽命隨之縮短，直至30cm之后,電子密度的大小已接近于零,見圖8。電子溫度與電子密度的關(guān)系圖9為改變放電條件下多組測得的氮等離子體電子溫度與電子密度關(guān)系圖?？芍入x子體中電子溫度和電子密度呈反比關(guān)系，當(dāng)電子溫度提高時(shí)電子濃度變低，而電子溫度降低時(shí)電子濃度提升。而且氮等離子體的電子溫度與