ICP氩等离子体发射光谱诊断

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1、ICP歳等离子体发射光谱诊断*王燕陈俊芳赵文峰薛永奇(华南师范大学物理与电信工程学院510006)摘要：本文介绍了利用发射光谱法诊断射频感应耦合氮等离子体发射光谱。利用OES的测量技术对不同气压和射频功率系下测定氮原了谱线和离子谱线强度的变化，通过测量我们发现随着射频功率增加，原子谱线和离子谱线强度在均匀的变大，并呈现出一种饱和的趋势，并且在低射频功率下我们测得原了谱线和离了谱线随着气压的增加反而减少的趋势。关键词：感应耦合等离子体发射光谱射频功率中图分类号O539Q536文献标识码：A1引言感应耦合等离了体(I

2、nductivelyCoupledPlasma简称ICP)指等离子体中的射频电场是由射频天线或电极的磁场产生的，由这种电场加速电子电离中性气体而产生的等离子体就是感应耦合等离子体⑴。感应耦合射频放电因为能在低压下(甚至低于IPa)产生高密度(IO】。-1012cm~3)等离子体而得到广泛的应用⑵。为了更好的了解ICP氮等离了体的发射光谱特点，我们对低温下的氮等离子体的发射光谱做进一步研究，利用OES在线光谱测量技术对氨等离子体的原子和离子谱线进行实时测量。对感应耦合等离子体的特点进行深一步分析，利用OES测量技术

3、。发光射谱(OES)“基金项目：广东省自然科学基金:(10151063101000048)作者简介：王燕女，河北石家庄人，硕士生是广泛的研究放电的技术。它具有简单和对等离了体无干扰性⑶。本文采用发射光谱技术对ICP射频感应耦合等离子体鞘层附近区域特性进行分析，改变射频功率、放电气压从其发光光谱变化规律得出离子谱线和原子谱线强度的变化情况。2实验装置图一为ICP实验装置图。射频电源为SY型射频功率源，输出功率范围为0〜lkW,射频电源通过匹配电路与放电室相连，通过调节匹配网络使功率反射降低至最小。实验采用柱面天线耦

4、合，天线由四匝空心铜管绕制而成，在管内通冷却水以降低射频电流加热造成的天线的升温。放电室为高400mm直径160mm的石英玻璃筒。装置系统主要放置在不锈钢制成的屏蔽室之内，以降低射频电磁场对其他测量仪器和电路的影响。抽气系统rfl2XZ-2型旋片真空泵及F-100/110型涡轮分子泵组成，放电气体Ar气通过D07-7B/7M型质量流量计进入放电室，气压值由DL-90型复合真空计给出。用WDS8A型组合式多功能光栅光谱仪测量如图1中发射光谱，从光谱窗探测的光谱为等离子体鞘层附近区域发射光谱，单色仪的光栅为2400条

5、・mmT,闪耀波长为350nm,通过光纤探头接收等离子体中的光信号。光纤探头收集到的光信号由光纤传输至单色仪进行分光，分出的单色光输出经过光电倍增管(R928)转变为电信号，光谱电信号脉冲通过设定记录电路的积分时间而得到多脉冲平均输岀，最后由计算机采集数据。实验中，工作气体为纯度99.99%的Ar气，本底真空为2.6x10_3Pa,通过改变质量流量计的流量来控制真空室内的工作气压。3实验结果和讨论图二-图五是利用OES测量技术测得在工作气压为0.25pa、0.3pa>0.5pa>0.6pa,射频功率分别为10w、

6、3Ow>120w和18Ow下发射光谱谱线强度变化的情况。从图中町以看出，随着射频功率的增加，谱线强度均匀的增加。从图二-图五中可以看出低激发电位原子谱线强度增加较快，尤其是415.5nm和419nm。而高激发电位的原子谱线强度增加不是很明显，比较缓慢，比如603nmo其中离子谱线488nm增加的更不明显。由于低激发电位的原子谱线激发电位均在15eV以下，相应的激发态原子是由电子碰撞直接激发形成的，因而谱线强度增加较为明显。高激发电位原子谱线603nm激发电位在15eV以上，所以其激发态主要是由于氮离子和电子碰撞复

7、合形成的，因为在低气压范围电子的能量分布函数为麦克斯韦函数⑷，随着气压的增加发光强度也会增加，但是谱线强度增长比较缓慢。离子激发态主要是通过亚稳态氟原子和基态氮离子与电子的碰撞过程形成的，ICP等离子体中亚稳态氮原子相当少，导致离子谱线强度低而且增加很不明显叫ICP放电是一种高频放电，放电区内存在很强的射频磁场和诱导涡旋电场，处于这样的电场中的电子将以拉莫尔回旋的方式沿电场线漂移，而不是被电场直接加速，所以能量不会达到很高。同时，因为涡旋电磁场会约朿电子的运动，使其不容易达到真空壁而消失，因此ICP等离子体的电子

8、密度可以维持在一个较高水平。此外，电子能量不够高，从而导致等离子中很难激发出高电位的氮离子⑻。对高密度低气压放电，等离子体的参量和馈入射频功率、气体压强等放电条件关系可由等离子体的整体模型描述，半径为R、长度为L的放电等离子体的参量决定于等离子体中离子的产生和到达器壁的粒子数守恒及能量守恒过程,当激发功率为Pabs时，则等离了体密度no为⑺A=su①-U-①>leocr0