CN102156001A - 一种射频放电等离子体自偏置探针诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种射频放电等离子体自偏置探针诊断方法，属于等离子体科学与技术领域。其特征是在等离子体中放置两根探针：探针a和探针b，探针a相对于等离子体放电回路处于浮动状态，探针b通过隔直电容和取样电阻连接放电回路地。测量探针a和探针b之间的电压交流成分振幅ΔV、探针b电流的一次谐波振幅|i_1ω|和二次谐波振幅|i_2ω|，利用ΔV、|i_1ω|和|i_2ω|计算得出电子温度T_e和离子密度n_i。本发明的有益效果是：能够克服探针表面绝缘污染的影响，获得离子密度和电子温度等参数。探针上不加直流或交流偏置电压，对等离子体放电扰动小。

Description

一种射频放电等离子体自偏置探针诊断方法

技术领域

本发明属于等离子体科学与技术领域，涉及到一种射频放电等离子体自偏置探针诊断方法，用于诊断射频放电等离子体，能够克服探针表面绝缘污染的影响，获得离子密度和电子温度等参数。

背景技术

诊断等离子体参数的常用方法是把一个探针置于等离子体中并加上扫描偏置电压，测量并分析探针电流随扫描偏置电压变化的伏安特性曲线获得等离子体的各项参数。这种方法的一个严重局限性是不能用于有绝缘薄膜沉积发生的反应等离子体中，因为这种情况下探针表面会被绝缘生成物覆盖，无法收集电流而失效。

针对这个问题，Lee等人公开了一种浮动探针的等离子体诊断方法[M.H.Lee，et al.，J.Appl.Phys.v101，p033305(2007)]，给探针加高频交流偏置电压，利用探针电流的基频和二次谐波幅度计算出电子温度和离子密度。由于这种探针依靠位移电流工作，即使探针表面存在一定程度的污染绝缘仍然可以继续使用。但这种方法的缺点是需要在探针上加高频交流偏置电压，常常会扰动等离子体，改变等离子体的原有状态，使测量不准确。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种射频放电等离子体自偏置探针诊断方法，以解决上述浮动探针的等离子体诊断方法由于需要在探针上加高频交流偏置电压而扰动等离子体，改变等离子体的原有状态，使测量不准确的问题。

本发明技术方案是：

在等离子体中放置两根探针：探针a和探针b，探针a相对于等离子体放电回路处于浮动状态，探针b通过隔直电容和取样电阻连接放电回路地线。探针上不加直流或交流偏置电压。

测量探针a和探针b之间的电压交流成分振幅ΔV、探针b电流的一次谐波振幅|i_1ω|和二次谐波振幅|i_2ω|，利用ΔV、|i_1ω|和|i_2ω|计算得出电子温度T_e和离子密度n_i，计算公式分别是：

|i_1ω|/|i_2ω|＝I₁(eΔV/T_e)/I₂(ΔV/T_e)(1)

$n_i=\frac{\left|i_{1\mathrm{\ω}}\right|\sqrt{M_i}}{1.22\mathrm{eA}\sqrt{k{T}_e}}\frac{I_0(\mathrm{e\ΔV}/T_e)}{I_1(\mathrm{e\ΔV}/T_e)}---\left(2\right)$

上面两式中，I₀、I₁和I₂分别是零阶、一阶和二阶修正贝塞尔函数；e是电子电量，单位为库仑；A是探针表面积，单位为平方米；M_i是离子的质量，单位为千克；k＝1.38×10^-23J/K是波尔兹曼常数；ΔV单位为伏特；|i_1ω|和|i_2ω|单位为安培；T_e和n_i单位分别是开尔文和个每立方米。

本发明的有益效果是：能够克服探针表面绝缘污染的影响，获得离子密度和电子温度等参数。探针上不加直流或交流偏置电压，对等离子体放电扰动小。

附图说明

附图是本发明的诊断方法示意图。

图中：1探针a，2探针b，3等离子体，4隔直电容a，5隔直电容b，

6放大器a，7放大器b，8频谱分析器，9放电回路地，10取样电阻。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

在图1中，1探针a和2探针b位于3等离子体中，1探针a相对于等离子 体放电回路处于浮动状态，2探针b经5隔直电容b和10取样电阻连接9放电回路地；1探针a和2探针b分别经4隔直电容和5隔直电容连接6放大器a的正负输入端，1探针a和2探针b之间的电压交流成分经6放大器a放大并整流滤波后输出振幅ΔV；2探针b的电流经10取样电阻变换为电压信号，经7放大器b放大后送至8频谱分析器，经8频谱分析器分析后输出一次谐波振幅|i_1ω|和二次谐波振幅|i_2ω|；将输出的ΔV、|i_1ω|和|i_2ω|数据带入公式(1)和公式(2)分别计算出电子温度T_e和离子密度n_i。

Claims (1)

1.一种射频放电等离子体自偏置探针诊断方法，其特征在于：在等离子体中放置两根探针：探针a(1)和探针b(2)，探针a(1)相对于等离子体放电回路处于浮动状态，探针b(2)通过隔直电容(5)和取样电阻(10)连接放电回路地(9)；探针上不加直流或交流偏置电压；

测量探针a(1)和探针b(2)之间的电压交流成分振幅ΔV、探针b(2)电流的一次谐波振幅|i_1ω|和二次谐波振幅|i_2ω|，利用ΔV、|i_1ω|和|i_2ω|计算得出电子温度T_e和离子密度n_i；

计算公式分别是：

|i_1ω|/|i_2ω|＝I₁(eΔV/T_e)/I₂(eΔV/T_e)(1)

$n_i=\frac{\left|i_{1\mathrm{\ω}}\right|\sqrt{M_i}}{1.22\mathrm{eA}\sqrt{k{T}_e}}\frac{I_0(\mathrm{e\ΔV}/T_e)}{I_1(\mathrm{e\ΔV}/T_e)}---\left(2\right)$

上面两式中，I₀、I₁和I₂分别是零阶、一阶和二阶修正贝塞尔函数；e是电子电量，单位为库仑；A是探针表面积，单位为平方米；M_i是离子的质量，单位为千克；k＝1.38×10^-23J/K是波尔兹曼常数；ΔV单位为伏特；|i_1ω|和|i_2ω|单位为安培；T_e和n_i单位分别是开尔文和个每立方米。