低温非平衡甲烷等离子体发射光谱诊断

【摘要】： 近年来，低压等离子体化学气相沉积技术的研究发展很快，在包括各种薄膜等新型功能材料的制备研究方面取得了令人瞩目的成就。然而目前对等离子体化学气相沉积(PCVD)过程中薄膜的生长机理还缺乏清楚的理解，发展沉积过程中的等离子体的原位诊断显得尤为重要。对等离子体过程诊断的方法有许多，其中发射光谱法(OES)是一种非常好的诊断手段——一种比较简单的非扰动方法。本文就是利用光学发射谱技术研究了CH_4／He、CH_4／H_2气体螺旋波(HWP)放电等离子体内一些活性粒子的光学发射特征、并对其进行了原位测量。重点研究了在CH_4／He、CH_4／H_2这两种体系下它们放电等离子体中基团的分布；分析了不同基团的相对密度随宏观放电条件(射频输入功率、放电气压)的变化规律。结果表明，在两种体系中，甲烷气体放电HWP等离子体空间中存在H(H_α(656.3nm)、H_β(486.1nm)、H_γ(434.1nm))、H_2和CH(431nm)基团等，需要特别指出的是，在CH_4放电等离子体的发射光谱中只出现了H、H_2和CH基团的特征发射谱线，但这并不意味着等离子体中只存在这些基团；在CH_4／He体系下，随射频功率的增加，H_α、H_β、H_γ以及CH相对强度变化的总体趋势都是先增加而后减小的，当工作气压增加时，H_α、H_β以及H_γ的相对强度变化也是呈现先增大而后减小的，但CH基团的相对强度是逐渐减小的；在CH_4／H_2体系下，随着射频功率的增大H_α、H_β、H_γ以及CH基团的相对强度都随着增加，而当放电气压变化时它们都呈现先增大而后减小的趋势。这些结果为等离子体沉积各种薄膜过程的理解及制备工艺参数的调整提供了重要的物理依据和基础数据。 【关键词】：螺旋波等离子体 发射光谱法 甲烷 等离子体化学气相沉积
【学位授予单位】：四川大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：O561.3
【目录】：

• 摘要2-3
• ABSTRACT3-4
• 目录4-7
• 第一章 综述7-16
• 1.1 等离子体的概念7
• 1.2 描述等离子体状态的重要物理量7-9
• 1.3 等离子体生成原理、方法9-11
• 1.4 等离子体的特性及应用前景11-13
• 1.4.1 等离子体的特性11-12
• 1.4.2 等离子体的应用前景12-13
• 1.5 本论文的研究目的和研究内容13-14
• 参考文献14-16
• 第二章 低温冷等离子体(cold plasma)的诊断16-36
• 2.1 探针法17-22
• 2.1.1 Langmuir探针的基础理论17-19
• 2.1.2 Langmuir探针的工作原理19-21
• 2.1.3 探针的Ⅰ—Ⅴ特性曲线可求得的等离子体参数21-22
• 2.2 光谱法22-32
• 2.2.1 发射光谱法(Optical Emission Spectroscopy,OES)22-32
• 2.2.1.1 发射光谱的基本原理23
• 2.2.1.2 谱线的展宽与线型23-25
• 2.2.1.3 等离子体的发射光谱25-27
• 2.2.1.3.1 根据光谱的相对强度计算激发温度26
• 2.2.1.3.2 根据半峰宽(FWHM)计算电子密度n_e或离子温度T_i26
• 2.2.1.3.3 根据斯塔克展宽计算电子密度n_e26-27
• 2.2.1.3.4 根据多普勒展宽计算离子温度T_i27
• 2.2.1.3.5 根据双原子分子振转谱线强度计算转动温度Trot27
• 2.2.1.4 多原子的分子光谱综述27-32
• 2.3 其它诊断方法32
• 2.4 本章小结32-34
• 参考文献34-36
• 第三章 螺旋波等离子体简介36-42
• 3.1 螺旋波等离子体的特点36-37
• 3.2 螺旋波等离子体色散关系37-38
• 3.3 天线耦合38-40
• 3.4 本章小结40-41
• 参考文献41-42
• 第四章 甲烷等离子体光谱诊断42-66
• 4.1 甲烷等离子体的研究现状42-44
• 4.2 实验44-47
• 4.2.1 实验装置45-46
• 4.2.1.1 光谱产生系统45-46
• 4.2.1.2 光谱测量系统46
• 4.2.2 实验过程简述46-47
• 4.3 结果与分析47-65
• 4.3.1 理论47-54
• 4.3.1.1 甲烷和氦气系统中的反应过程48-52
• 4.3.1.2 甲烷和氢气系统中的反应过程52-54
• 4.3.2 CH_4/He混合气体HWP放电等离子体中基团分布规律54-60
• 4.3.2.1 CH_4/He混合气体放电等离子体的发射光谱图54-56
• 4.3.2.2 H_α、H_β以及H_γ相对强度随宏观放电参量的变化分析56-58
• 4.3.2.2.1 日冕模型的引用56-57
• 4.3.2.2.2 氢的三条原子谱线的变化57-58
• 4.3.2.3 CH基团的相对强度随宏观放电参量的变化分析58-60
• 4.3.3 CH_4/H_2混合气体HWP放电等离子体中基团分布规律60-65
• 4.3.3.1 发射光谱图常用基团本征谱线的识别60-62
• 4.3.3.2 CH_4/H_2混合气体放电等离子体的发射光谱图62-63
• 4.3.3.3 H_α、H_β、H_γ以及CH基团的相对强度随宏观参量的变化63-65
• 4.4 本章小结65-66
• 参考文献66-68
• 第五章 总结68-70
• 攻读硕士学位期间所发表的论文70
• 攻读硕士学位期间所参加科研工作70-71
• 致谢71-72

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