微波氫等離子體的特性

鄭曉毅，徐 偉

（廣州大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，廣東廣州510006）

1 引 言

近年微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MPCVD）技術(shù)的研究發(fā)展很快，在包括金剛石膜等新型功能材料的制備研究方面取得了令人矚目的成就.然而目前對MPCVD過程中薄膜的生長機理還不能清楚地理解.因為等離子體作為一種大量微觀粒子組成的熱力學(xué)體系，其中的熱運動和電磁作用過程共存，因而描述其性質(zhì)的各種參量，如等離子體中的離子溫度、電子溫度、密度等會表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性[1]，為了更好地研究等離子體中的物理化學(xué)過程以及改進(jìn)等離子體成膜工藝過程，有必要對其中各種參量進(jìn)行測量.一般的診斷方法有探針法[2]、質(zhì)譜法[3]和光譜法[4－5].探針法作為一種成熟的探測手段，有著比較廣泛的應(yīng)用.但是由于是介入型探測，會對微波體系產(chǎn)生一定的擾動.質(zhì)譜法測量精度高，但設(shè)備成本高，實驗條件要求苛刻.而光譜法做為一種實時、對微波體系沒有擾動、原位的探測手段則具有其他方法所不具備的優(yōu)點.本文通過對MPCVD金剛石膜沉積過程中等離子體發(fā)射光譜的分析，來研究微波放電過程中的等離子體的特性.

在MPCVD鍍膜工藝中，影響成膜質(zhì)量的因素主要有氣體成分、工作氣壓、功率等.而氫氣作為最重要的參與氣體，氫離子對成膜過程中的石墨相具有優(yōu)先刻蝕的作用[6].本文主要利用發(fā)射光譜的方法，根據(jù)多普勒展寬[7]計算等離子體中的氫離子溫度，并研究其與工作氣壓及微波功率大小之間的變化規(guī)律.

2 實 驗

利用實驗室自行研究設(shè)計的直接耦合式微波等離子裝置（圖1），通過真空泵將反應(yīng)腔抽真空至5Pa，通入氣體流量為150～200mL／min的氫氣，微波源發(fā)出頻率為2.45GHz的微波，沿矩形波導(dǎo)以TE10模式傳輸，到達(dá)反應(yīng)腔激勵氣體放電從而產(chǎn)生等離子體.通過光纖將產(chǎn)生的穩(wěn)定等離子體球的發(fā)射光譜采集到光學(xué)多道分析儀，在計算機上進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理.實驗采用的光學(xué)多道分析儀為美國Andor公司生產(chǎn)的Sharmrock SR500光學(xué)多道分析儀，光柵數(shù)為1 200mm－1，CCD尺寸為1 024×256像素，波長范圍為190～1 000nm，分辨率達(dá)到0.05nm.

圖1 微波等離子體裝置結(jié)構(gòu)

3 結(jié)果與分析

3.1 理論模型與方法

一般來說，光譜線的加寬主要有自然加寬、多普勒加寬、Stark加寬、中性粒子引起的碰撞加寬以及由測量儀器本身引起的儀器加寬[8－9].在我們的實驗條件下，等離子體發(fā)射譜線的線型和線寬主要來自氣體的壓強、帶電粒子的熱運動，所以自然加寬和碰撞加寬一般可以忽略.

又因為在高頻等離子體放電條件下，氫原子的Hα（n＝3→n＝2）線的Stark效應(yīng)非常弱，其譜線的加寬主要是由多普勒加寬以及儀器加寬引起的[10－11].所以在實驗中選取Hα線為研究對象，在獲得其總光譜半峰全寬ΔλDI后，根據(jù)文獻(xiàn)[12]中提到的比較成熟的近似經(jīng)驗公式ΔλDI＝（Δλ2D＋Δλ2I）1／2就可以算出氫原子Hα線的多普勒展寬ΔλD.其中ΔλI是實驗儀器所帶來的儀器加寬.多譜勒展寬與離子溫度Ti的關(guān)系為

由（1）式可知，實驗中只需測得光譜線的半峰全寬ΔλD便可以得到等離子體中離子的溫度Ti.本實驗中使用的多道光譜儀的儀器展寬由GY－100型He－Ne激光器測定，測得的儀器展寬為0.097nm，在測定等離子體中氫原子Hα線的儀器展寬時，保持光譜儀的狹縫等儀器參量不變.

3.2 實驗結(jié)果與分析

3.2.1 離子溫度隨功率的變化

表1列出了在保持氫氣流量為150mL／min，反應(yīng)腔的工作氣壓為1.28kPa，微波功率從600W變化到1 000W所得到的氫原子Hα線的總的譜線半峰全寬，以及最后所得到的譜線的多普勒展寬.

表1 譜線半峰全寬、多普勒展寬隨功率變化

圖2為根據(jù)測得的譜線的多普勒展寬計算得到的氫等離子體中的離子溫度Ti隨功率變化的情況.可看到，隨著功率的增加，離子溫度Ti先增加，在微波功率為800W時達(dá)到最大值，之后溫度不升反降.在800W處形成明顯的轉(zhuǎn)折點.

圖2 離子溫度隨功率變化情況

我們認(rèn)為隨著微波源功率的不斷增加，反應(yīng)腔內(nèi)的等離子中的激發(fā)態(tài)氫原子的密度會不斷增加，在保持氣體流量以及工作氣壓不變的情況下，等離子體中的電子隨著微波源功率的增加，能量也會增加.開始時，等離子中激發(fā)態(tài)氫原子密度較低，電子與基態(tài)氫原子碰撞激發(fā)基態(tài)氫原子到激發(fā)態(tài).隨著激發(fā)態(tài)氫原子的密度不斷增加，電子的能量開始不足使得激發(fā)態(tài)氫原子往更高的激發(fā)態(tài)激發(fā)，所以這期間的碰撞使得離子溫度Ti增加.但電子的能量增加到一定程度后，能夠激發(fā)出更高激發(fā)態(tài)的氫原子，相應(yīng)地離子溫度Ti便降了下來.

3.2.2 離子溫度隨反應(yīng)壓強的變化

表2列出了在保持氫氣流量為180mL／min，微波功率保持在700W，調(diào)節(jié)反應(yīng)腔的反應(yīng)壓強由710Pa變化到1 210Pa所得到的氫原子Hα線的總的譜線半峰全寬，以及最后所得到的譜線的多普勒展寬.

表2 譜線半峰全寬、多普勒展寬隨反應(yīng)壓強變化

圖3為根據(jù)所測得的譜線的多普勒展寬計算得出的氫等離子體中的離子溫度Ti隨反應(yīng)氣壓變化的情況.可以看到，隨著反應(yīng)氣壓的不斷增加，離子溫度Ti先增加，當(dāng)反應(yīng)氣壓為910Pa時達(dá)到最大值，之后離子溫度不升反降.在910Pa處形成明顯的轉(zhuǎn)折點.

圖3 離子溫度隨反應(yīng)壓強變化情況

這是因為在微波輝光放電激發(fā)等離子體中的微波功率吸收主要是通過碰撞過程來實現(xiàn)的，在碰撞放電時，微波功率吸收存在最佳吸收功率，這個最佳吸收功率決定于電子與重粒子之間的碰撞頻率νe.在微波輝光放電過程中[13]，電子與重粒子的彈性碰撞頻率νe通常在109～1011s－1，在固定的2.45GHz微波振蕩頻率和電場強度也即是微波功率下，νe決定于反應(yīng)腔內(nèi)的放電氣壓.即在該實驗條件下，會存在一最佳的反應(yīng)壓強，使得微波源功率被氣體最佳吸收.在這種情況下，等離子體中的電子能夠最大化地吸收微波源的能量，并與重粒子發(fā)生碰撞并把能量傳遞給重粒子，因此從圖3可看出，在910Pa處時，離子溫度Ti達(dá)到了最大，也就是說該處為最佳的工作氣壓.

4 結(jié) 論

通過光學(xué)多道分析儀采集氫等離子體的發(fā)射光譜，利用氫原子Hα線的多普勒展寬計算離子溫度.隨著微波功率的增加，離子溫度先增大后減小.這是因為激發(fā)態(tài)氫原子密度增加的緣故，也說明了微波功率的調(diào)節(jié)決定了等離子中的各種不同激發(fā)過程.隨著工作氣壓的增加，離子溫度同樣也是先增加后減小，這是因為存在一最佳的反應(yīng)氣壓，使得微波功率能被最佳吸收.

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