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《武汉工程大学》 2010年
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微波氢等离子体发射光谱诊断

吴利峰  
【摘要】:氢等离子体一般用直流、射频和微波等放电方式产生,已经被广泛用在等离子体化学气相沉积(CVD)、等离子体反应动力学及化学合成等研究工作中。氢等离子体的原位在线检测对于研究等离子体中粒子的物理—化学过程、改进等离子体工艺具有重要意义。本文利用发射光谱技术对两种放电体系中氢等离子体参数及相关反应过程进行了诊断研究。 (1)在高气压下(10-40kPa)利用发射光谱技术对CVD中微波放电产生的氢等离子体进行发射光谱诊断,通过对H原子Balmer线系谱线(Hα、Hβ、Hγ)的线强、线型及线宽的研究,得到了等离子体中电子激发温度、电子密度、电场强度以及离子温度等参数随微波功率及工作气压的变化规律。结果表明:H原子发射光谱谱线的轮廓在理论上更接近Voigt线型,H_α、H_β、H_γ谱线的线宽依次增大;谱线的相对强度、电子密度和电场强度随着微波功率的增加逐渐增大,随着放电气压的升高都是先增大后减小,在微波功率为800W时,工作气压为25kPa时谱线强度、电子密度和电场强度都达到最大值。电子激发温度随气压的升高不断降低,气压的变化对离子温度的影响不大,随着微波功率的上升,电子激发温度和离子温度都有不同程度的增加。 (2)设计了一套常压微波等离子体射流装置,在大气压下激发并维持稳定的等离子体,研究了SiCl_4/H_2混合气体放电产生等离子体射流的发射光谱,对SiCl_4在大气压微波氢等离子体中的分解过程和SiCl_4的分解产物进行了分析,并考察了SiCl_4初始浓度对Hα谱线强度及SiCl_4分解率的影响。研究结果表明:常压微波等离子体射流中含有多种活性粒子和自由基,分别观测到了Hα、Hβ、Si原子[251-253nm, (4s~3P~0→3p~(21)D)]的谱线及SiCl分子光谱[281-282nm,(B′~2Δ→X~2Π)及287-288nm,(B~2Σ+→X~2Π)]谱带。SiCl_4在微波氢等离子体中的分解机理是首先通过高能电子碰撞逐次失去一个Cl原子生成SiCl_x基团,随后H原子与SiCl_x基团发生链式反应生成HCl和Si等最终产物。发现氢气的加入能增加SiCl_4的分解率,在微波功率为800W时,H_α线发射光谱的强度和SiCl_4的分解率都随SiCl_4初始浓度的增加而减小,当SiCl_4浓度小于1%时,其分解率能维持在95%以上。测量了喷嘴上方等离子体射流轴向上的激发态氢原子的空间分布,结果表明射流中心的氢原子密度要大于两端处的氢原子密度。
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