翁国峰[1]2012年在《等离子体发射光谱研究》文中指出等离子体发射光谱是探究等离子体参数、等离子体基团分布的有效工具。本文利用发射光谱技术对压缩波导微波氢等离子体进行原位在线测量，研究了在微波等离子体化学气相沉积金刚石过程中等离子体内部基团、等离子体参数、等离子体内部粒子的物理化学过程及其与等离子体工艺的联系。同时，本文还利用发射光谱技术研究了熏蒸罐中溴甲烷浓度与等离子体发射光谱强度的关系，为利用光谱技术进行溴甲烷浓度的定量测量提供了实验基础。（1）在连续的高气压（5kPa~一个大气压）下，利用发射光谱诊断法对压缩波导微波氢等离子体进行发射光谱测量，研究了氢原子Balmer线系H_α、H_β、H_γ和H_δ谱线强度随着气压升高的变化以及等离子体电子激发温度随着气压升高的变化。结果表明：在微波功率为800W时，压缩波导微波氢等离子体中氢原子Balmer线系H_α、H_β、H_γ和H_δ谱线强度在20kPa达到最大值，气压超过20kPa，H_α和H_β谱线的谱峰强度呈现快速下降的趋势，氢等离子体的电子激发温度随着气压的升高先下降后趋于稳定。（2）在压缩波导微波等离子体CVD沉积金刚石过程中，利用发射光谱技术诊断CVD等离子体的发射光谱，研究金刚石沉积过程的等离子体内部基团及其随反应条件的变化，沿波导宽边与波导窄边对等离子体球进行测量，研究等离子体球内基团和活性粒子的空间分布。结果表明：利用CH_4/H_2作为工作气体的微波等离子体CVD沉积金刚石过程中，等离子体中含有多种活性粒子和基团，观测到了H原子Balmer线系的Hα(656.30nm)、Hβ(486.25nm)和Hγ(434.56nm)，H分子Fulcher-α(d3_Π~3u—aΠg)谱带，CH C~2ΔΣ+—X~2Π、B~2Σ—X~2Π和A~2Δ—X~2Π谱带，C_2Swan带系、C2Mulliken (d~1Σ~+~1u—xΣ~+g)谱带以及C_2Deslandres-D’Azambuja(C~1Πg—b~1Π~+_u)谱带，其中C_2基团随甲烷浓度的升高迅速上升，金刚石膜的质量随着甲烷浓度的升高而降低。等离子体球沿波导宽边方向的等离子体强度从中心向两边递减；沿波导窄边方向的等离子体强度由下往上递减，含碳基团的浓度则是中心比两边高。（3）设计了一套脉冲射频空心阴极等离子体源，将该等离子体源激发熏蒸罐中含溴甲烷的工作气体放电产生等离子体，利用发射光谱法对产生的等离子体进行测量，研究工作气压和溴甲烷浓度对溴原子特征峰强度的影响。结果表明：在含溴甲烷的等离子体发射光谱图中发现了位于635.07nm和700.52nm的溴原子特征峰。在气压不变的情况下，发射光谱图中溴原子的特征峰强度随溴甲烷浓度的升高而升高，在溴甲烷浓度不变的情况下，发射光谱图中溴原子的特征峰强度随熏蒸罐气压的升高而降低。溴原子特征峰强度随气压和溴甲烷浓度的变化规律可以用于熏蒸罐内溴甲烷浓度的测量。
吴利峰[2]2010年在《微波氢等离子体发射光谱诊断》文中指出氢等离子体一般用直流、射频和微波等放电方式产生,已经被广泛用在等离子体化学气相沉积(CVD)、等离子体反应动力学及化学合成等研究工作中。氢等离子体的原位在线检测对于研究等离子体中粒子的物理—化学过程、改进等离子体工艺具有重要意义。本文利用发射光谱技术对两种放电体系中氢等离子体参数及相关反应过程进行了诊断研究。(1)在高气压下(10-40kPa)利用发射光谱技术对CVD中微波放电产生的氢等离子体进行发射光谱诊断,通过对H原子Balmer线系谱线(Hα、Hβ、Hγ)的线强、线型及线宽的研究,得到了等离子体中电子激发温度、电子密度、电场强度以及离子温度等参数随微波功率及工作气压的变化规律。结果表明:H原子发射光谱谱线的轮廓在理论上更接近Voigt线型,H_α、H_β、H_γ谱线的线宽依次增大;谱线的相对强度、电子密度和电场强度随着微波功率的增加逐渐增大,随着放电气压的升高都是先增大后减小,在微波功率为800W时,工作气压为25kPa时谱线强度、电子密度和电场强度都达到最大值。电子激发温度随气压的升高不断降低,气压的变化对离子温度的影响不大,随着微波功率的上升,电子激发温度和离子温度都有不同程度的增加。(2)设计了一套常压微波等离子体射流装置,在大气压下激发并维持稳定的等离子体,研究了SiCl_4/H_2混合气体放电产生等离子体射流的发射光谱,对SiCl_4在大气压微波氢等离子体中的分解过程和SiCl_4的分解产物进行了分析,并考察了SiCl_4初始浓度对Hα谱线强度及SiCl_4分解率的影响。研究结果表明:常压微波等离子体射流中含有多种活性粒子和自由基,分别观测到了Hα、Hβ、Si原子[251-253nm, (4s~3P~0→3p~(21)D)]的谱线及SiCl分子光谱[281-282nm,(B′~2Δ→X~2Π)及287-288nm,(B~2Σ+→X~2Π)]谱带。SiCl_4在微波氢等离子体中的分解机理是首先通过高能电子碰撞逐次失去一个Cl原子生成SiCl_x基团,随后H原子与SiCl_x基团发生链式反应生成HCl和Si等最终产物。发现氢气的加入能增加SiCl_4的分解率,在微波功率为800W时,H_α线发射光谱的强度和SiCl_4的分解率都随SiCl_4初始浓度的增加而减小,当SiCl_4浓度小于1%时,其分解率能维持在95%以上。测量了喷嘴上方等离子体射流轴向上的激发态氢原子的空间分布,结果表明射流中心的氢原子密度要大于两端处的氢原子密度。
耿自才[3]2004年在《微波氢等离子体发射光谱诊断》文中指出氢等离子体在功能材料的化学气相沉积、等离子体刻蚀和新的含氢化合物的化学合成等方面具有重要应用。在这些工艺过程中，氢原子被认为起到了非常关键的作用。因此，对氢原子浓度的原位诊断是研究和改进上述等离子体工艺过程的重点也是难点之一。本文在分析了多种等离子体诊断方法后，采用了装置简单、对等离子体没有扰动的发射光谱技术，通过Actinometry方法(以Ar做内标气体)，对ASTeX型微波放电氢等离子体中的氢原子浓度进行了原位测定。详细研究了氢原子谱线(Balmer线系)和氩原子谱线(750.4 nm)的相对强度与氢气流量、微波输入功率以及放电气压之间的关系；同时对可视等离子体球的空间分布进行了测量。本文在考虑电子直接激发和激发态氢原子和氩原子被氢分子淬灭的条件下，首次对较高气压下微波氢等离子体中氢气的解离率做了计算。结果显示，在微波输入功率密度为13.5W／cm~3，气体压力从5～25 torr变化的条件下，氢气的解离率从0.11降低到0.04。另外，本文还讨论了碰撞截面数据、等离子体的电子和气体温度对氢气解离率的影响。
吴利峰, 马志斌, 翁国锋, 湛玉龙[4]2010年在《高气压微波氢等离子体发射光谱诊断》文中研究表明在2.45GHz,800W级的高气压微波等离子体放电系统中,通过测量不同微波功率和放电气压下氢等离子体的Balmer线系的发射光谱,从测量的谱线总展宽中卷积去掉具有高斯线形的Doppler展宽和仪器展宽得到谱线的Stark展宽,并通过Stark展宽测量氢等离子体的电子数密度和电场强度。结果表明:等离子体的电子数密度和电场强度随着放电气压的升高都是先增大后减小,随着微波功率的增加呈现逐渐增大的趋势。微波功率为800W时,气压在25kPa时电子数密度和电场强度都达到最大值,等离子体的电子数密度和内部的电场强度分别为3.55×1012cm-3及4.01kV/cm。
郑晓毅[5]2012年在《MPCVD装置中等离子体发射光谱研究》文中研究指明近年来，微波放电等离子体已经被广泛应用于等离子体镀膜，刻蚀，表面清洗等方面。其中一个很重要的应用领域便是微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）。为了更好的理解微波放电等离子体中的反应过程，通过对MPCVD沉积过程中等离子体发射光谱的分析，来研究微波放电过程中的等离子体的特性显得尤为重要。利用微波等离子体发生装置产生等离子体。反应气体为氢气和甲烷。利用英国Andor公司生产的多道光谱仪对微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）金刚石膜沉积过程发射光谱进行实时采集。接着对采集到的谱线进行分析，得到等离子体的参量。研究在不同的沉积工艺下等离子体参量与工艺参量（微波功率、反应压强）变化之间的关系。研究内容包括：1.采用微波化学气相沉积装置激发甲烷与氢气体系等离子体，通过光学多道分析仪采集等离子体的发射光谱。对于甲烷气体，观察到的谱线有CH基团在389nm处和431nm处的两个光谱带。次甲基CH-的一处光谱带（420nm，421.14nm，422.2nm）。以及反应产物C2的swan带（516.5nm，550.2nm，554.0nm，558.5nm，563.5nm）。并研究其随微波功率以及反应压强变化的情况。结果表明，甲烷基团谱线强度随着微波功率的增加呈增长的趋势。而随着反应压强的增大先是增大，后减小。2.利用氢巴尔末系的叁条谱线强度算出电子温度Te。并研究了电子温度Te和随微波功率以及反应压强变化的情况。结果显示：电子温度Te随着微波功率的增加呈增长的趋势，随反应压强的增加呈减小趋势。3.利用氢原子H线的多普勒展宽计算离子温度。可以看到，随着微波功率的增加，离子温度先增大后变小。随着工作气压的增加，离子温度同样也是先增加后变小。4.通过对氢原子H线型的分析，得到等离子体中的分子过程。结果表明，等离子体中的氢原子主要是由电子与氢分子碰撞引起的离解激发产生的。
吴建鹏[6]2013年在《MPCVD等离子体发射光谱研究》文中认为等离子体发射光谱诊断是研究微波等离子体参数的有效方法，本文在2.45GHz，800W微波等离子体化学气相沉积装置上，利用发射光谱法对金刚石薄膜制备时的等离子体进行在线诊断，研究了甲烷浓度、工作气压、氮气浓度对等离子体内发射光谱及基团谱线强度的影响。（1）利用发射光谱法对CH_4/H_2等离子体进行在线诊断，分析了等离子体中存在的主要基团，研究了甲烷浓度（0.5%-7%）和工作气压（10-38kPa）对各基团浓度及基团空间分布的影响。结果表明：等离子体中存在CH, H_α, H_β, H_γ, C_2基团和Mo杂质原子，随着甲烷浓度的升高，各基团发射光谱强度均有增加，其中C_2(516.08nm)基团强度显着增加，CH(431.31nm)与H_α(656.19nm)基团的发射光谱强度比值I_(CH)/I_(C2)随甲烷浓度的增加变化不大，而发射光谱强度I_(C2)/I_(Hα)比值随甲烷浓度的增加而显着增大，甲烷浓度的增加还使得等离子体中各基团在空间分布的均匀性变差，并认为甲烷浓度应控制在1%以内；随着气压的升高CH、C_2和H_α基团的发射光谱强度先增大后减小，C_2和H_α基团的发射光谱强度变化显著，且三条发射光谱谱线强度都在30kPa时达到最大值，发射光谱强度比值I_(C2)/I_(Hα)基本保持不变，发射光谱强度I_(CH)/I_(C2)比值随气压升高迅速减小，当气压达到26kPa时其比值开始保持不变，气压的增加也使得等离子体中各基团空间分布的均匀性变差。（2）利用发射光谱法对CH_4/H_2/N_2等离子体进行在线诊断，分析了CH_4/H_2/N_2等离子体中存在的主要基团，研究了氮气浓度（0-1%）和甲烷浓度（0.25%-7%）对等离子体中各基团浓度的影响,并对加氮和未加氮的金刚石样品进行拉曼表征。结果表明：CH_4/H_2/N_2等离子体中存在CH, H_α, H_β, H_γ, C_2基团和CN（388.04nm）基团，随着氮气浓度的增加，H_α谱线特征峰强度几乎没变，CH谱线特征峰强度小幅减小，C2谱线特征峰强度显着降低，CN谱线特征峰强度呈线性增加，氮气浓度由0到0.1%时，发射光谱强度I_(CH)/I_(CN)、I_(C2)/I_(CN)比值迅速下降，且当氮气浓度继续增加时，它们的强度比值小幅降低，氮气浓度由0升高到1%时，发射光谱强度I_(C2)/I_(Hα)与I_(CH)/I_(C2)比值基本保持不变，认为最佳氮气浓度为0.1%。加入0.2%浓度的氮气，通过改变甲烷浓度的发射光谱研究，认为甲烷浓度可控制在2%浓度范围内。由未加氮气和加0.1%浓度氮气的金刚石薄膜样品拉曼测试结果可知，加氮能明显提高金刚石相含量，有利于高质量金刚石薄膜的制备。
冯哲[7]2011年在《强流ECR质子源及束流引出和传输特性的研究》文中进行了进一步梳理强流ECR (Electron Cyclotron Resonance)离子源作为加速器系统的前端注入设备，其核心部件的设计是影响其工作性能以及产生束流品质的关键。ECR离子源具有结构紧凑，可产生高密度等离子体，性能稳定，可重复性好等优点。然而，由于其系统组成的特点，各个核心部件的性能都会影响产生束流的品质，尽管研究者们对于离子源的调试已经做过很多有借鉴意义的工作，但对影响其关键性能的主要因素和相关理论还不能做出令人信服的解释，因此我们需要在进行离子源的设计中，试图对能反映束流品质的关键部件和离子源中的等离子体参数进行正确的描述和理解。这种基于等离子体诊断来研究束流性能的方法也是目前国内外强流ECR离子源设计与研究领域所欠缺和需要的。为解决这一问题，本文以ECR质子源为研究对象，对ECR氢等离子体进行了发射光谱诊断和碰撞辐射模型研究。借助实验检验，优化了ECR质子源核心部件的设计，研究了束流引出以及传输特性。其创新之处体现在：一、将发射光谱诊断方法应用到ECR质子源中对ECR氢等离子体Blamer系氢原子的发射光谱进行诊断，依托辐射碰撞模型对氢等离子体的电子密度和温度进行计算，比较了连续和脉冲微波源工作模式下的氢等离子体密度随微波源参数的变化，工程上首次指出一个脉宽内激发态氢原子发射光谱随时间的变化规律，在时间尺度上对束流的脉冲化结果及脉冲微波源的设计提供了参考。二、在束流引出时，利用等离子体发射光谱诊断的方法有效地将不同微波功率下等离子体密度与束流强度的变化规律联系起来，并找到质子源引出束流的最佳气压值范围并探究其成因，提高了质子源的工作效率。叁、初步研究了束流引出状态下不同引出电压及抑制电压对等离子体发射光谱的影响，以及束流引出时其对等离子体参量的影响，丰富了离子源关于束流引出的物理内容，对进一步提高束流强度和离子源工作的稳定性具有指导意义。本文还通过建造一套结构紧凑的质子源和低能输运段系统并对其核心参数进行理论计算和实验比较，系统地分析了系统关键部件的设计方法，优化其核心参数。利用发射光谱诊断方法，得到ECR氢等离子体参数随质子源核心部件和实验参数的变化规律，为提高ECR质子源的工作性能提供了参考。
徐晓文[8]2011年在《微波等离子体产生及甲烷制氢应用初探》文中研究表明微波等离子体以其高电离度、高电子温度和电子密度、适用压强范围宽、无内部电极污染等优点在等离子体材料表面处理、薄膜制备、化学气相沉积、刻蚀以及甲烷转化制氢等领域展现出了卓越的应用潜力。与直流放电、交流放电和高频放电产生等离子体方法不同,微波放电不能简单地通过普通的电路传递能量,必须依靠波导元件将微波能量传递并耦合到反应器中产生等离子体。然而,由于目前向等离子体反应器内高效传递微波能量的耦合技术还不成熟,对微波等离子体特性也缺乏了解,加之缺少千瓦级以上的微波等离子体化学反应实验平台,致使许多基于高功率微波等离子体化学反应的实验研究难以进行,严重地阻碍了微波等离子体化学应用技术的发展。因此,建立一套高功率微波等离子体发生实验平台,并在此基础上开展微波等离子体放电特性研究及应用技术探索已变得非常必要。本文基于电磁场理论,成功地建立了一套微波频率为2.45GHz,主模为TE10模的3kW微波等离子体发生系统。该系统由微波发生单元、等离子体反应器、真空抽气单元、冷却单元和等离子体诊断单元五部分组成,可在微波功率0～3kW、工作气压100Pa～100kPa范围内完成微波等离子体产生、特性及其应用的实验研究,是目前国内少有的专门用于大功率微波等离子体研究的实验平台。采用垂直和45°角反应器实验研究了微波等离子体的放电特性,结果发现微波电场的最大值出现在微波谐振腔1/4波导波长处,在该处微波等离子体反应器插入的角度对微波等离子体激发出的活性物种种类没有影响,但垂直反应器的发射光谱强度相对较强,说明垂直反应器中产生的活性粒子密度相对较高；在100～1000Pa的工作气压下、微波输入功率仅为150～500W,微波等离子体的电子温度就高达6eV以上,电子密度可达1017/m3以上,随着微波注入功率的增加和气压的降低电子密度甚至超过1018/m3。以甲烷为反应气体,在垂直微波等离子体反应器中对微波等离子体甲烷制氢方法进行了初步探讨,结果发现甲烷等离子体反应产物中有CH、C、C2、Hα、Hβ等产物的生成,并且氢的含量最大,但反应器中的碳化现象也很严重。
赵国利[9]2010年在《双频容性耦合等离子体的光谱诊断研究》文中研究说明双频容性耦合等离子体(Dual-frequency capacitively coupled plasma, DF-CCP)源是半导体工业中重要的刻蚀设备。双频容性耦合等离子体源由两个不同频率的射频源共同驱动,其中高频源主要用于产生高密度的等离子体,低频源用来控制离子在鞘层中的运动特性,从而实现对等离子体密度和离子能量的单独控制。这样双频容性耦合等离子体源就克服了单频容性耦合等离子体源的不足,能获得很好的刻蚀速率和均匀性。由于它具有可以产生大面积均匀的等离子体、操作容易、结构简单和成本较低的优点,所以它符合工业生产上的要求,DF-CCP源在新一代的半导体刻蚀机中被广泛应用。双频容性耦合等离子体源的各物理参量以及物理过程对等离子体刻蚀工艺有直接的影响,有必要对其进行深入细致的研究。本论文采用发射光谱法和吸收光谱法对双频容性耦合等离子体在各种条件下的放电特性进行了实验研究,其中包括电子温度、气体温度、等离子体空间均匀性和粒子密度等对于等离子体应用具有重要意义的参数。应用发射光谱法对双频容性耦合等离子体的光谱进行研究,就得到电子温度和气体温度。采用改进的波尔兹曼图形法对氩等离子体的电子温度(Te)进行了研究。在本文实验条件下的电子温度在2.3～6.9 eV范围内,气压、放电功率和气体流率等实验条件对电子温度具有很显着的影响。通过应用LIFBASE软件拟合CF B2△-X2Π的(0,0),(1,1)和(2,2)谱带的发射光谱,然后与实验光谱互相对照,就得到振动和转动温度。对于实验条件(P=50 mTorr,fH=60 MHz,fL=2.0 MHz, PL=50 W and PH=300 W)下模拟得到的CF激发态B2△对应的振动温度和转动温度分别为Tvib-2150 K和Trot≈620 K。另外,应用发射光谱内标法对氟原子进行了数密度测定,工作气体为Ar/CF4(5/95),谱线选择为氟原子(703.7 nm)和氩原子(750.4 nm),同时还对该等离子体的电子温度进行了测定。鉴于等离子体空间均匀性对于刻蚀工艺的重要性,应用发射光谱法对双频容性耦合等离子体径向和轴向空间均匀性进行了研究。应用自制的光探针对电极间不同径向位置的发射光谱进行测量,就可以获得等离子体的径向密度分布。实验结果表明气压和低频功率等参数对等离子体的径向密度均匀性具有很大的影响。另外,通过调节光纤头高度可以对等离子体的轴向密度分布进行测定,在测定时对光纤头进行了改装来控制被测光束的直径的大小。在两个电极间的等离子体轴向密度分布呈现弧形,弧的中心靠近上电极(双频源都加在上电极上)。气压和高频功率对于等离子体的轴向密度分布具有很显着的影响,增加气压和高频功率均会明显增加等离子体的谱线强度,而且上电极附近的谱线强度的增加速度要高于下电极。增加低频功率对于等离子体的径向密度分布影响不大,会使等离子体的谱线强度缓慢减小,这是因为改变低频电压对于等离子体密度的影响不像高频功率那样明显。应用吸收光谱法对双频容性耦合四氟化碳等离子体中的CF2数密度进行了实验研究。通过对CF4等离子体中CF2自由基的透射光谱进行测定研究,可获得CF2的数密度。本文应用CF2A(O,v',0)→C(0,0,0)(v'=4-7)谱带进行数密度计算。研究发现CF2自由基数密度在1.4×1013～5.4×1013cm-3范围内变化。增加气压和高频功率都会使CF2自由基数密度增加,尤其是高频功率的影响更加明显。
翁国峰, 湛玉龙, 陶利平, 付秋明, 马志斌[10]2011年在《高压微波氢等离子体Balmer线系的实验》文中进行了进一步梳理采用压缩波导反应腔结构和热辅助激发的方式产生了可稳定运行于近一个大气压条件下的微波辉光氢等离子体,通过发射光谱诊断技术测量了连续放电过程中氢Balmer线系的Hα、Hβ、Hγ和Hδ谱线,并分析了谱线强度随气压的变化趋势及其机理.实验结果表明,氢Balmer线系的Hα、Hβ、Hγ和Hδ谱线的强度都有随着气压上升先升高后下降的趋势,等离子体的电子激发温度则是随着气压的升高先降低后趋向于稳定.
参考文献：
[1]. 等离子体发射光谱研究[D]. 翁国峰. 武汉工程大学. 2012
[2]. 微波氢等离子体发射光谱诊断[D]. 吴利峰. 武汉工程大学. 2010
[3]. 微波氢等离子体发射光谱诊断[D]. 耿自才. 大连理工大学. 2004
[4]. 高气压微波氢等离子体发射光谱诊断[J]. 吴利峰, 马志斌, 翁国锋, 湛玉龙. 强激光与粒子束. 2010
[5]. MPCVD装置中等离子体发射光谱研究[D]. 郑晓毅. 广州大学. 2012
[6]. MPCVD等离子体发射光谱研究[D]. 吴建鹏. 武汉工程大学. 2013
[7]. 强流ECR质子源及束流引出和传输特性的研究[D]. 冯哲. 清华大学. 2011
[8]. 微波等离子体产生及甲烷制氢应用初探[D]. 徐晓文. 大连海事大学. 2011
[9]. 双频容性耦合等离子体的光谱诊断研究[D]. 赵国利. 大连理工大学. 2010
[10]. 高压微波氢等离子体Balmer线系的实验[J]. 翁国峰, 湛玉龙, 陶利平, 付秋明, 马志斌. 武汉工程大学学报. 2011
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