直流辉光等离子体系列实验报告 - 复旦大学物理教学实验中心fudan .docVIP

直流辉光等离子体系列实验报告 陈金杰 合作者 张帆 指导老师 乐永康 （复旦大学物理系 上海 200433） 摘要：利用直流辉光等离子体实验装置,获得等离子体。并研究直流低气压放电现象，测量等离子体伏安曲线，测定气体击穿电压验证帕邢定律，利用Langmuir单探针和Langmuir双探针测量等离子体的密度、温度和德拜长度等参数。并就相关现象进行讨论。 关键词：直流辉光等离子体 气体放电 伏安特性 击穿 Langmuir探针 引言：关于等离子体 等离子体（Plasma）是一种，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”。等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的，1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯（Tonks）首次将“等离子体（plasma）”一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态。严格来说，等离子是具有高位能动能的气体团，等离子的总带电量仍是中性，借由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，结果电子已不再被束缚于原子核，而成为高位能高动能的的自由电子。等离子体可通过放电、加热、光激励等方法产生,它有以下特点: [1] (1) 电子温度高于离子温度 由于电子和离子的质量差别悬殊,电子更容易从电场中获得能量,因此电子的平均动能远大于离子的平均动能,即电子和离子有各自独立的不同平衡温度。电子温度比离子温度高得多,而离子温度与等离子体中中性粒子温度一样。引入等离子体中的极板也可以保持较低的温度。等离子体高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容(2) 具有丰富的活性粒子 通过与电子的非弹性碰撞,各种粒子得到活性激发。这些活性粒子具有不同能量,可在固体表面发生各种物理和化学效应。所以需要在很高温度下才能进行的化学反应在等离子体中很容易完成。 (3) 存在等离子体鞘层 在等离子体中引入负(或正) 电极,为屏蔽外电势对等离子体的影响,在电极周围形成正(或负) 电荷层,称为等离子体鞘层。以等离子体电位为零电位,则外加电压完全降落在这一鞘层上。进入这一鞘层的正离子受到加速,得到数值上相当于电势能的动能。调节外加负电压的数值,正离子获得不同的能量,可实现对电极材料的溅射、刻蚀和注入。引入等离子体中的绝缘极板表面也会形成正离子鞘层。这是电子的热运动速度大于离子的热运动速度决定的。根据电子温度,正离子从这一鞘层中获得的能量在3115～83ev 之间。在PECVD中,借助于离子轰击,可使沉积薄膜更加均匀致密。鞘层的存在对等离子体加工应用非常重。 正是由于等离子体具有以上的特殊性质，等离子体的研究已经发展成为当前国际上重要而活跃的研究领域。了解其与材料的相互作用的基本物理和化学过程是发展微电子学、表面改性、聚变、空间及其他关键技术的核心。等离子体工艺是现代微电子学的关键技术，如等离子体刻蚀和等离子体化学气相淀积就是制造超大规模集成电路的重要工艺。要了解等离子体和暴露于等离子体中的固体表面首先需要对等离子体的特性进行诊断和表征。因此，等离子体参量的测定不仅对等离子体的基础研究，而且对于应用等离子体的工艺研究也是十分重要的。 实验装置及原理 本实验采用 DH2005型直流辉光等离子体实验装置（杭州大华仪器制造有限公司制造）。是在经典直流放电管的基础上加以改进而成的，工作气体、工作气压、电极距离等影响等离子体产生和等离子体参数的因素均可灵活地加以单独或组合调控。 直流辉光等离子体装置由真空、电源与测量、水冷和供气等系统组成,其核心在于设计了工作气压可调、电极距离可变、电极材料可更换、放电气体可选择的等离子体激发管,其原理如图1 所示。本装置真空系统由旋片式机械泵及相应的阀门组成;电源及测量系统由直流稳压电源及电压和电流数显表组成;水冷系统自带循环冷却水,通过自带水箱、水泵对整个系统的冷却水进 图1 低气压直流辉光等离子体装置原理图 1. 水冷法兰；2. 阴极；3.两组Langmuir双探针；4. 等离子体；5. 阳极；6. 玻璃管；7. 真空获得与测量 行循环；供气由浮子流量计来控制。工作时，先打开机械泵抽本底真空，将玻璃管内真空度降为十几Pa至几Pa，然后通入工作气体。利用浮子流量计、隔膜阀及微调阀将工作气压调到所需值，待稳定后通过直流电源在阴阳两极施加高压。此时工作气体在强电场作用下被击穿,产生辉光放电等离子体。放电管内的两放电电极可在轴线50至150mm范围内移动。玻璃管上的Langmuir 双探针用来测量等离子体参数。 实验内容 直流低气压放电现象及伏安曲线的测量。 电流通过气体的现象称为气体放电。具有一定能量的电子与中性原子发生非弹性碰撞时，电子把一部分动能传给原子，使该原子激发或电离，即e-+G0→G*+e- e-+G0→G++