微波氢等离子体的特性

郑晓毅，徐 伟

（广州大学物理与电子工程学院，广东广州510006）

1 引 言

近年微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术的研究发展很快，在包括金刚石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MPCVD过程中薄膜的生长机理还不能清楚地理解.因为等离子体作为一种大量微观粒子组成的热力学体系，其中的热运动和电磁作用过程共存，因而描述其性质的各种参量，如等离子体中的离子温度、电子温度、密度等会表现出相当的复杂性[1]，为了更好地研究等离子体中的物理化学过程以及改进等离子体成膜工艺过程，有必要对其中各种参量进行测量.一般的诊断方法有探针法[2]、质谱法[3]和光谱法[4－5].探针法作为一种成熟的探测手段，有着比较广泛的应用.但是由于是介入型探测，会对微波体系产生一定的扰动.质谱法测量精度高，但设备成本高，实验条件要求苛刻.而光谱法做为一种实时、对微波体系没有扰动、原位的探测手段则具有其他方法所不具备的优点.本文通过对MPCVD金刚石膜沉积过程中等离子体发射光谱的分析，来研究微波放电过程中的等离子体的特性.

在MPCVD镀膜工艺中，影响成膜质量的因素主要有气体成分、工作气压、功率等.而氢气作为最重要的参与气体，氢离子对成膜过程中的石墨相具有优先刻蚀的作用[6].本文主要利用发射光谱的方法，根据多普勒展宽[7]计算等离子体中的氢离子温度，并研究其与工作气压及微波功率大小之间的变化规律.

2 实 验

利用实验室自行研究设计的直接耦合式微波等离子装置（图1），通过真空泵将反应腔抽真空至5Pa，通入气体流量为150～200mL／min的氢气，微波源发出频率为2.45GHz的微波，沿矩形波导以TE10模式传输，到达反应腔激励气体放电从而产生等离子体.通过光纤将产生的稳定等离子体球的发射光谱采集到光学多道分析仪，在计算机上进行数据的采集和处理.实验采用的光学多道分析仪为美国Andor公司生产的Sharmrock SR500光学多道分析仪，光栅数为1 200mm－1，CCD尺寸为1 024×256像素，波长范围为190～1 000nm，分辨率达到0.05nm.

图1 微波等离子体装置结构

3 结果与分析

3.1 理论模型与方法

一般来说，光谱线的加宽主要有自然加宽、多普勒加宽、Stark加宽、中性粒子引起的碰撞加宽以及由测量仪器本身引起的仪器加宽[8－9].在我们的实验条件下，等离子体发射谱线的线型和线宽主要来自气体的压强、带电粒子的热运动，所以自然加宽和碰撞加宽一般可以忽略.

又因为在高频等离子体放电条件下，氢原子的Hα（n＝3→n＝2）线的Stark效应非常弱，其谱线的加宽主要是由多普勒加宽以及仪器加宽引起的[10－11].所以在实验中选取Hα线为研究对象，在获得其总光谱半峰全宽ΔλDI后，根据文献[12]中提到的比较成熟的近似经验公式ΔλDI＝（Δλ2D＋Δλ2I）1／2就可以算出氢原子Hα线的多普勒展宽ΔλD.其中ΔλI是实验仪器所带来的仪器加宽.多谱勒展宽与离子温度Ti的关系为

由（1）式可知，实验中只需测得光谱线的半峰全宽ΔλD便可以得到等离子体中离子的温度Ti.本实验中使用的多道光谱仪的仪器展宽由GY－100型He－Ne激光器测定，测得的仪器展宽为0.097nm，在测定等离子体中氢原子Hα线的仪器展宽时，保持光谱仪的狭缝等仪器参量不变.

3.2 实验结果与分析

3.2.1 离子温度随功率的变化

表1列出了在保持氢气流量为150mL／min，反应腔的工作气压为1.28kPa，微波功率从600W变化到1 000W所得到的氢原子Hα线的总的谱线半峰全宽，以及最后所得到的谱线的多普勒展宽.

表1 谱线半峰全宽、多普勒展宽随功率变化

图2为根据测得的谱线的多普勒展宽计算得到的氢等离子体中的离子温度Ti随功率变化的情况.可看到，随着功率的增加，离子温度Ti先增加，在微波功率为800W时达到最大值，之后温度不升反降.在800W处形成明显的转折点.

图2 离子温度随功率变化情况

我们认为随着微波源功率的不断增加，反应腔内的等离子中的激发态氢原子的密度会不断增加，在保持气体流量以及工作气压不变的情况下，等离子体中的电子随着微波源功率的增加，能量也会增加.开始时，等离子中激发态氢原子密度较低，电子与基态氢原子碰撞激发基态氢原子到激发态.随着激发态氢原子的密度不断增加，电子的能量开始不足使得激发态氢原子往更高的激发态激发，所以这期间的碰撞使得离子温度Ti增加.但电子的能量增加到一定程度后，能够激发出更高激发态的氢原子，相应地离子温度Ti便降了下来.

3.2.2 离子温度随反应压强的变化

表2列出了在保持氢气流量为180mL／min，微波功率保持在700W，调节反应腔的反应压强由710Pa变化到1 210Pa所得到的氢原子Hα线的总的谱线半峰全宽，以及最后所得到的谱线的多普勒展宽.

表2 谱线半峰全宽、多普勒展宽随反应压强变化

图3为根据所测得的谱线的多普勒展宽计算得出的氢等离子体中的离子温度Ti随反应气压变化的情况.可以看到，随着反应气压的不断增加，离子温度Ti先增加，当反应气压为910Pa时达到最大值，之后离子温度不升反降.在910Pa处形成明显的转折点.

图3 离子温度随反应压强变化情况

这是因为在微波辉光放电激发等离子体中的微波功率吸收主要是通过碰撞过程来实现的，在碰撞放电时，微波功率吸收存在最佳吸收功率，这个最佳吸收功率决定于电子与重粒子之间的碰撞频率νe.在微波辉光放电过程中[13]，电子与重粒子的弹性碰撞频率νe通常在109～1011s－1，在固定的2.45GHz微波振荡频率和电场强度也即是微波功率下，νe决定于反应腔内的放电气压.即在该实验条件下，会存在一最佳的反应压强，使得微波源功率被气体最佳吸收.在这种情况下，等离子体中的电子能够最大化地吸收微波源的能量，并与重粒子发生碰撞并把能量传递给重粒子，因此从图3可看出，在910Pa处时，离子温度Ti达到了最大，也就是说该处为最佳的工作气压.

4 结 论

通过光学多道分析仪采集氢等离子体的发射光谱，利用氢原子Hα线的多普勒展宽计算离子温度.随着微波功率的增加，离子温度先增大后减小.这是因为激发态氢原子密度增加的缘故，也说明了微波功率的调节决定了等离子中的各种不同激发过程.随着工作气压的增加，离子温度同样也是先增加后减小，这是因为存在一最佳的反应气压，使得微波功率能被最佳吸收.

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