低氣壓低溫等離子體診斷原理與技術

前言

等離子體是物質(zhì)存在的一種基本形態(tài)，是除固體、液體和氣體以外的第四種物質(zhì)形態(tài)，它廣泛存在于宇宙和人類的活動中。人們在對等離子體發(fā)光、電磁流體、電弧放電、微電子和納米器件加工、等離子體平板顯示、等離子體化學合成、熱核聚變的研究和應用中，對等離子體的認識不斷深入；同時，等離子體的應用在不斷擴展，涉及各種高新技術產(chǎn)業(yè)和人們的日常生活。低氣壓低溫等離子體作為重要的材料加工手段，在物理、化學、材料科學、微電子、顯示等領域得到廣泛應用。低溫等離子體技術的發(fā)展，推動了凝聚態(tài)物理、等離子體物理、等離子體化學、納米材料等學科的發(fā)展。作為等離子體性能的實驗研究手段，等離子體診斷技術已成為重要的分析技術。低溫等離子體中存在大量的工藝可變量，如等離子體溫度、等離子體密度、電子能量分布函數(shù)、離子能量、各種離子與激發(fā)基團等，它們影響著等離子體與材料相互作用的物理、化學過程，決定了最終的材料結構與性能；這些可變量取決于產(chǎn)生等離子體的宏觀參數(shù)和條件，如氣壓、功率、頻率、流量等，因此，對材料加工過程的等離子體進行實驗診斷，可以獲得宏觀參數(shù)與等離子體可變量之間的關聯(lián)，了解等離子體中發(fā)生的物理、化學過程以及等離子體與材料的相互作用，從而建立材料結構、性能與等離子體特性之間的關聯(lián)，獲得材料性能改變的微觀機制，實現(xiàn)等離子體加工過程的控制。隨著低溫等離子體技術的廣泛應用，需要較多的懂得低溫等離子體物理、技術及診斷的技術人才。本書寫作的目的就是為將要進入這些領域工作的研究生、本科生以及相關技術人員提供低溫等離子體診斷技術及其應用的基本知識。本書較全面地介紹了低氣壓低溫等離子體診斷技術的基礎知識，總結了近年來該領域的一些新進展，提供了低氣壓低溫等離子體診斷技術應用的實例。全書共7章。第1章至第3章簡要介紹了等離子體基本概念和性質(zhì)、低溫等離子體的產(chǎn)生方法和等離子體中的基本化學過程。第4章著重講述低氣壓低溫等離子體的探針診斷技術及其應用。第5章簡要介紹了低氣壓低溫等離子體的波干涉診斷技術。第6章著重講述低氣壓低溫等離子體的光譜診斷技術及其應用。第7章著重講述低氣壓低溫等離子體的質(zhì)譜診斷技術及其應用。在最后的附錄中，作者收集整理了部分原子、分子、離子發(fā)光的特征光譜譜線，以供讀者在相關研究工作中參考。

內(nèi)容概要

本書較全面地介紹了低氣壓低溫等離子體診斷技術的基礎知識，總結了近年來該領域的一些新進展，提供了低氣壓低溫等離子體診斷技術應用的實例。全書共7章。第1-3章主要介紹了等離子體的基本概念與陛質(zhì)，低溫等離子體的產(chǎn)生方法和等離子體中的基本化學過程。第4章著重講述了低氣壓低溫等離子體的探針診斷技術及其應用。第5章介紹了低氣壓低溫等離子體的波干涉診斷技術。第6章和第7章分別講述了低氣壓低溫等離子體的光譜和質(zhì)譜診斷技術及其應用。附錄中，作者收集整理了部分原子、分子、離子發(fā)光的特征光譜譜線，以供讀者在相關研究工作中參考。    本書可供進入低溫等離子體技術領域?qū)W習與工作的研究生、本科生以及技術人員參考使用。

書籍目錄

前言第1章  等離子體基本概念和性質(zhì)  1.1  等離子體概念    1.1.1  等離子體的定義    1.1.2  等離子體的分類  1.2  等離子體的導電性與準電中性    1.2.1  等離子體的導電性    1.2.2  等離子體的準電中性  1.3  等離子體的基本參量    1.3.1  等離子體密度與電離度    1.3.2  等離子體溫度    1.3.3  德拜長度    1.3.4  等離子體鞘層    1.3.5  等離子體頻率    1.3.6  等離子體的時空特征量  1.4  等離子體中帶電粒子的擴散  1.5  低氣壓低溫等離子體診斷方法概述  參考文獻第2章  氣體放電等離子體基礎  2.1  直流輝光放電    2.1.1  帕邢定律    2.1.2  直流輝光放電特性  2.2  射頻輝光放電    2.2.1  射頻放電過程    2.2.2  射頻等離子體中的自偏壓    2.2.3  射頻放電的優(yōu)點    2.2.4  射頻放電的產(chǎn)生方法  2.3  微波放電  2.4  微波電子回旋共振放電  參考文獻第3章  等離子體化學基礎  3.1  化學反應的表征  3.2  等離子體中的化學反應    3.2.1  同相反應    3.2.2  異相反應  3.3  化學反應鏈  3.4  等離子體與表面相互作用    3.4.1  等離子體與固體表面的物理作用    3.4.2  離子和電子誘導的表面化學反應    3.4.3  能量傳遞    3.4.4  對薄膜沉積的影響    3.4.5  等離子體誘導損傷  參考文獻第4章  低氣壓低溫等離子體的探針診斷  4.1  朗繆爾探針診斷的基本方法    4.1.1  朗繆爾探針結構與工作電路    4.1.2  朗繆爾探針的電壓.電流特性    4.1.3  從探針I(yè)-V特性曲線獲取等離子體參數(shù)    4.1.4  探針診斷的條件、優(yōu)點與缺點    4.1.5  探針測量誤差的主要來源  4.2  朗繆爾探針的基本理論    4.2.1  無碰撞鞘層    4.2.2  平面探針    4.2.3  圓柱形探針  4.3  非麥克斯韋分布的探針理論  4.4  各向異性等離子體的探針診斷  4.5  碰撞對探針診斷的影響  4.6  磁化等離子體中的朗繆爾探針    4.6.1  磁場的影響    4.6.2  磁化等離子體中的探針測量  4.7  射頻等離子體中的朗繆爾探針    4.7.1  射頻等離子體中的探針特性    4.7.2  射頻補償方法    4.7.3  無補償?shù)臏y量條件  4.8  朗繆爾探針方法的空間和時間分辨率    4.8.1  朗繆爾探針方法的空間分辨率    4.8.2  朗繆爾探針方法的時間分辨率  4.9  化學活性等離子體的探針診斷    4.9.1  化學活性等離子體中的探針污染    4.9.2  發(fā)射探針技術    4.9.3  電容耦合探針技術    4.9.4  懸浮探針技術    4.9.5  三探針技術    4.9.6  射頻阻抗探針和等離子體振蕩探針技術    4.9.7  熱探針技術    4.9.8  探針表面的清洗方法  4.10  探針I(yè)-V特性的二次微分方法    4.10.1  探針I(yè)-V特性二次微分的微分電路法    4.10.2  探針I(yè)-V特性二次微分的交流測量法    4.10.3  探針I(yè)-V特性二次微分的數(shù)值微分法  4.11  雙探針技術  4.12  其他探針技術    4.12.1  磁探針    4.12.2  能量分析器    4.12.3  射頻電流探針  4.13  低氣壓低溫等離子體的探針診斷應用實例    4.13.1  薄膜沉積的探針診斷    4.13.2  脈沖激光等離子體的探針診斷    4.13.3  塵埃等離子體的探針診斷    4.13.4  甚高頻放電等離子體的探針診斷  參考文獻第5章  低氣壓低溫等離子體的波干涉診斷  5.1  微波干涉法  5.2  傳輸線微波干涉法  5.3  激光干涉法  5.4  激光雙色干涉法  參考文獻第6章  低氣壓低溫等離子體的光譜診斷  6.1  等離子體光譜的產(chǎn)生機理  6.2  發(fā)射光譜    6.2.1  等離子體發(fā)射光譜的譜特性    6.2.2  發(fā)射光譜診斷的實驗裝置    6.2.3  發(fā)射光譜方法的優(yōu)點與缺點  6.3  發(fā)射光譜的光化線強度測定法  6.4  等離子體溫度的光譜測量    6.4.1  惰性示蹤氣體發(fā)射光譜法測量電子溫度    6.4.2  光強比值法測量電子溫度    6.4.3  發(fā)射光譜法測量分子轉動溫度、振動溫度  6.5  吸收光譜    6.5.1  吸收光譜原理    6.5.2  吸收光譜實驗裝置  6.6  激光誘導熒光光譜    6.6.1  激光誘導熒光原理    6.6.2  激光誘導熒光光譜的實驗裝置    6.6.3  激光誘導熒光光譜方法的優(yōu)點與缺點  6.7  光腔衰蕩光譜    6.7.1  光腔衰蕩光譜原理    6.7.2  光腔衰蕩光譜實驗裝置    6.7.3  光腔衰蕩光譜實驗數(shù)據(jù)的獲得  6.8  低氣壓低溫等離子體的光譜診斷應用實例    6.8.1  C基氣體分子放電等離子體的光譜診斷    6.8.2  Si基氣體分子放電等離子體的光譜診斷    6.8.3  F基氣體分子放電等離子體的光譜診斷    6.8.4  等離子體材料加工工藝的終點探測  參考文獻第7章  低氣壓低溫等離子體的質(zhì)譜診斷  7.1  質(zhì)譜診斷的基本原理  7.2  四極質(zhì)譜儀    7.2.1  四極質(zhì)譜儀的主要結構與工作原理    7.2.2  四極質(zhì)譜儀的分辨率    7.2.3  四極質(zhì)譜儀的標定    7.2.4  四極質(zhì)譜儀的優(yōu)點與缺點    7.2.5  AccuQuad 100D四極質(zhì)譜儀介紹  7.3  飛行時間質(zhì)譜儀  7.4  磁偏轉質(zhì)譜儀  7.5  質(zhì)譜儀與等離子體系統(tǒng)的連接    7.5.1  機械連接    7.5.2  電連接  7.6  質(zhì)譜數(shù)據(jù)的表示方法    7.6.1  質(zhì)譜數(shù)據(jù)的表示    7.6.2  圖形系數(shù)  7.7  中性氣體的質(zhì)譜分析    7.7.1  中性氣體的四極質(zhì)譜分析技術    7.7.2  中性氣體質(zhì)譜的成分識別    7.7.3  中性氣體質(zhì)譜的相對濃度測定  7.8  離子的質(zhì)譜分析    7.8.1  離子的四極質(zhì)譜分析技術    7.8.2  離子密度與離子能量分布的確定    7.8.3  等離子體的離子質(zhì)譜分析  7.9  用質(zhì)譜確定等離子體物理基本數(shù)據(jù)  7.10  低氣壓低溫等離子體的質(zhì)譜診斷應用實例    7.10.1  Si基分子放電等離子體的質(zhì)譜分析    7.10.2  C基分子放電等離子體的質(zhì)譜分析    7.10.3  F基分子放電等離子體的質(zhì)譜分析    7.10.4  脈沖激光燒蝕Ni、Al、ZnO靶的四極質(zhì)譜和飛行時間質(zhì)譜分析參考文獻附錄  部分受激原子、分子、離子發(fā)光特征譜線表參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：7.6.2圖形系數(shù)在分析質(zhì)譜的測量結果時，通常認為質(zhì)譜圖上的每一個峰對應一種質(zhì)荷比的離子。實際上，即使是最簡單的氣體，在質(zhì)譜儀中進行質(zhì)量掃描時，出現(xiàn)的峰都不止一個。其中與氣體分子質(zhì)量數(shù)相同的譜峰，即氣體分子的單電荷離子峰，稱為主峰。除了主峰外，譜圖上還包含一系列較小的峰，稱為副峰。這是因為氣體在電離過程中會產(chǎn)生多種離子，即電子撞擊分子時，除了產(chǎn)生一價離子，還會產(chǎn)生多價離子，甚至將分子擊碎成為各種碎片的離子，因此在質(zhì)譜圖上形成多個譜峰。以N2為例，N2會產(chǎn)生N2+，在質(zhì)荷比等于28處獲得單荷分子離子峰；同時，N2會分解產(chǎn)生N+，在質(zhì)荷比等于14處獲得單荷原子離子峰。如果產(chǎn)生N2++離子，則其質(zhì)荷比也在14處，它們都是主峰外的碎片峰。一般在儀器參數(shù)固定不變的條件下，某種氣體的原子離子峰與分子離子峰強度（以分子離子峰為100％）的比值是相對固定，這個比值稱為碎片系數(shù)，或圖形系數(shù)。常用氣體的圖形系數(shù)請參見文獻[3]。7.7中性氣體的質(zhì)譜分析7.7.1中性氣體的四極質(zhì)譜分析技術用四極質(zhì)譜儀診斷等離子體中性基團時，可以分為通量分析和分壓分析兩種類型。1.中性基團的通量分析在通量分析中，從等離子體反應室的小孔取樣后，被取出的中性基團以無碰撞的直線方式進入質(zhì)譜儀的離子光學系統(tǒng)，如圖7-22所示。因此。質(zhì)譜只分析準直線上的中性粒子。這種方法最適于等離子體中的各種中性基團的分辨和基團能量的優(yōu)化分析。通量分析時，要求取樣口的尺寸小于德拜長度，以減小取樣口對等離子體的干擾。為了降低在取樣口側壁上的碰撞影響，實際的取樣口應該是“零長度”。

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《低氣壓低溫等離子體診斷原理與技術》由科學出版社出版。

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