低压射频等离子体实验研究_杜凯

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1、第23卷第８期哈尔滨学院学报Vol.23No.８2002年８月JOURNALOFHARBINUNIVERSITYAgu.2002[文章编号]1004—5856(2002)08—0024—03低压射频等离子体实验研究杜凯，李明远(哈尔滨学院物理与电子工程系，黑龙江哈尔滨150080)[摘要]文章提出了低压射频等离子体实验设计体系，应用飞行时间谱仪和Langmuir单探针，测得Langmuir型V-I曲线，其中包括等离子体温度信息。[关键词]射频；等离子体[中图分类号]O53[文献标识码]Ａ等离子体是由大量具有相互作用的带电粒子构成的具有宏观时空尺度的体系。从宏观统计的角度，在

2、体系特征尺度L>>λD，体系是电中性或准电中性的，其中λD是Debye屏蔽长度。冷等离子体属于低温等离子体范畴，在低压下，通过激光、射频或微波激发稀薄气体产生。冷等离子体温度234较低，通常Ti在10k量级，体系中电子Te在10k或10k量级，从热力学角度看，体系处于非平衡态。利用低压射频等离子体实验装置制备的冷等离子体中通常有6种类型的粒子，它们是电子、正[1]离子、负离子、基态的原子或分子、激发态的原子或分子以及光子。制备的粒子能量参数范围为：电子能量为0～20ev；离子能量为0～2ev；激发态的原子或分子能量为0～20ev；光子能量为3～40ev；处于非平衡态的冷等离

3、子体中含有多种活性粒子，通过冷等离子体表面处理，可以引起材料表面多种化学反应或物理掺杂，对于低温下材料表面改性有着较大优势，特别是等离子体化学气相沉积和物理气相沉积方法已广泛用于制备单晶、多晶、无定形及纳米结构等薄膜功能材料。目前，冷等离子体制备及物理、化学性质的研究已成为该领域里的研究热点。1实验布局低压射频等离子体实验装置主体由放电室、真空系统、射频信号发生器和射频放大器构成。螺旋放电线圈置于管状放电室外部，产生的纵向场使初级电子与中性分子多重碰撞，击穿的气体[2]形成射频等离体。电子与中性分子碰撞频率，可从下式估算：f=PσV（1）式中P表示稀薄气体压强，该值通常由末

4、级泵的真空度决定；σ是电子与中性分子散射截面；V是电子热运动的平均速度，由电子Te决定。散射截面σ与自由程λ的关系为:λ＝σ／P（2）————————————[收稿日期]2001-09-02[基金项目]2002年黑龙江省教育厅科学技术研究指导项目(10513015)，哈尔滨学院科研基金资助项目[作者简介]杜凯（1946-），男，哈尔滨人，哈尔滨学院物理与电子工程系教授、学科带头人，主要科研方向：低温等离子体制备及物理性质研究.26哈尔滨学院学报2002年[3]自由程λ的系统数据，Brown已进行过较为详细的说明。[4]21/222电子能量分布函数为:Γ(ε)＝－4／Ape(

5、-meVP/2e)dI/dVP(3）[5]式中Ap表示Langmuir探针截面积；VP和I分别为Langmuir探针的偏置电压和收集的电流，VP≦0。[6]初期进行的实验，应用VikingValiantⅡ型射频信号发生器和射频放大器进行，输出范围在30-50w，实验中值得注意的是，射频放大器与螺旋放电线圈匹配有一定的技术难点。后期实验使用ENI⑷[7]5100L—NMR型射频放大器，代替Viking型射频放大器。2测试仪器飞行时间谱仪（TFS）在本实验中是使用的主要仪器，从射频等离子体射出的电子束或离子束，经过接地孔极进入高真空区域，到达飞行时间谱仪测试工作区。图1给出本实

6、验中安装的飞行时[8]间谱仪方框图。G.S.Harmon与R.G.Littlefield早年提出飞行时间谱仪的基本物理思想，80年代中期，M.Noori协助G.S.Harmon完成了初步实验，用于测量电子等离子体的信息。在进行本实验时，采用美国最新组件和在实验室制造了一部分器件，用于组装性能较全面的飞行时间谱仪，在设计和技术指标上，均达到批量生产的标准。样机首先通过本实验进行检验。法拉第筒内表面的技术处理和高精度电流计的配备，对得到较精确的实验结果很有帮助。Langmuir单探针用做参比测量仪器，测量了等离子体的电子相关信息，参考电压由一薄的园环提供，该园环与螺旋线圈同轴，

7、置于管状玻璃真空室内，与管状玻璃真空室两端等距。由于Langmuir探针能在大的条件范围与等离子体直接接触，且能对空间各点进行测量，可以得到V-I曲线。等离子体发生器平行板电容器法拉第筒偏置电压偏置电压前置放大器脉冲信号脉冲信号精密电流计延迟电路图1飞行时间谱仪方框原理图3荷电粒子束实验结果调节等离子体腔内薄环的电势，对从射频放电形成的等离子体射出的电子束或离子束作用敏感，实验的技术关键在于，在大的电势范围内精确调节薄环上的电势，使从等离子体逃失的电子束与从等离子体逃失的离子束精确相等。该电势定义为射频等离子体物理