直流脉冲等离子体时间演化过程的研究

论文摘要

直流脉冲等离子体在表面处理如离子渗氮、薄膜沉积、材料改性等方面应用十分广泛。在表面处理过程中,等离子体参数是影响处理效果的重要因素,因此考察脉冲等离子体各参数随时间的变化情况对于探讨表面处理过程中等离子体的作用机制有重要意义。为了对直流脉冲等离子体进行诊断,基于朗谬尔双探针理论研制了一套脉冲等离子体诊断系统。该诊断系统采用高速模数转换器对探针电流进行采样,对脉冲等离子体参数的诊断可以达到20ns的分辨率。结果表明该系统用于脉冲等离子体的诊断是可行的。脉冲电源参数为:频率1 kHz,占空比15%,电压分别为600V、700V和800V。放电气体分别采用空气、氨气和氩气。气体压强为108Pa。双探针的参数为:S=16.5mm2,d=1.7mm,两探针所在的平面与阴极盘平行,距阴极盘的垂直距离为20mm。诊断结果发现:1.当采用氨气或空气作为放电气体时,一个放电周期内先在距脉冲上升沿约2μs处出现一次电子密度跳变。该等离子体的电子密度呈窄脉冲状,持续时间约5μs,半高宽约2μs。在“窄脉冲”一段时间后电子密度为一低平台,可以一直维持到电源脉冲结束。该等离子体的电子密度波形跟放电电流的波形类似,为“稳态”等离子体。“窄脉冲”等离子体电子温度的波形出现振荡状态,周期都为1.3μs左右。当采用氩气放电的时候,只出现平台部分。2.“稳态”等离子体相对于电源脉冲前沿的延时时间随气体、电压的不同,变化范围为十几到一百微秒。在相同的气体和压强情况下,当放电电压增大时,电子密度也跟着增大而电子温度则没有明显变化。诊断发现了一些未能得到很好解释的新现象,随着技术手段的提高和系统的完善,将为快速变化的等离子体提供有效的诊断工具。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 等离子体及其在工业中的应用
• 1.2 直流脉冲等离子时间演化过程研究的意义及国内外现状
• 1.3 本论文的主要内容
• 1.4 本课题的研究难点和创新点
• 第2章 低温等离子体诊断技术
• 2.1 低温等离子体诊断技术简述
• 2.2 静电探针理论
• 2.2.1 单探针理论
• 2.2.2 双探针理论
• 第3章 脉冲等离子体诊断系统的硬件设计
• 3.1 实验装置
• 3.2 实验方法
• 3.3 诊断系统的总体方案设计
• 3.4 探针偏压扫描及相关电路设计
• 3.4.1 探针预处理电路
• 3.4.2 偏压扫描电路
• 3.5 高速采集与存储模块设计
• 3.5.1 主要芯片的选择
• 3.5.2 模块的性能指标计算
• 3.5.3 模块的工作方式
• 第4章 脉冲等离子体诊断系统的软件设计
• 4.1 通信链路层协议
• 4.2 下位机的主要程序模块
• 4.3 上位机的软件设计
• 第5章 测试分析及讨论
• 5.1 诊断系统测试效果
• 5.1.1 探针电流波形的采样效果
• 5.1.2 整体性能指标及清洗效果
• 5.2 脉冲等离子体参数的总体演化过程
• 5.3 电压对“窄脉冲”等离子体的影响
• 5.4 气体类型对“稳态”等离子体的影响
• 5.5 电压对“稳态”等离子体的影响
• 5.6 “窄脉冲”等离子体和“稳态”等离子体中一些现象的讨论
• 5.6.1 “窄脉冲”等离子体相关现象讨论
• 5.6.2 “稳态”等离子体相关现象讨论
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 问题与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 附录B 实物照片及主要电路原理图