高氣壓直流輝光等離子體放電物理及技術(shù)應(yīng)用研究.pdf

1、高氣壓(100Torr-760Torr)直流輝光放電等離子體，由于氣壓高，粒子間碰撞頻率大，具有較高的溫度而接近熱平衡狀態(tài)，使這種等離子體具有較高的氣體分子離解效率，可以獲得高濃度的活性粒子，在等離子體工藝中特別是均勻功能薄膜快速沉積應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)這種等離子體的放電裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，氣體消耗低，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用。但是隨著氣壓升高，等離子體氣體溫度也大幅上升，宏觀(guān)上各種不均勻性如電場(chǎng)梯度、溫度梯度等在高氣壓下會(huì)變得非常明顯，

2、容易誘發(fā)輝光放電向弧放電轉(zhuǎn)變，這實(shí)質(zhì)上是等離子體中各種微觀(guān)不穩(wěn)定性演化的結(jié)果。對(duì)大面積高氣壓直流輝光等離子體放電物理和技術(shù)的研究對(duì)發(fā)展新型等離子體源及其應(yīng)用具有重要意義。
　　 本文建立了一套高氣壓脈沖直流輝光等離子體產(chǎn)生裝置，對(duì)大功率穩(wěn)定輝光等離子體的放電技術(shù)、放電物理及其在功能材料方面的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　 通過(guò)對(duì)放電電極不斷的設(shè)計(jì)改造和放電參數(shù)的優(yōu)化，目前裝置可在氣壓為100Torr-200Torr的范圍內(nèi)

3、，在氫氣、甲烷和氬氣的混合氣體中產(chǎn)生功率約15kW，最大直徑80mm的輝光放電等離子體，并可連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行600小時(shí)以上。
　　 利用發(fā)射光譜和示波器，研究了等離子體特性隨多工藝參數(shù)的演變；對(duì)等離子體進(jìn)行了空間分辨診斷，獲得了電子溫度、氣體溫度和主要反應(yīng)粒子濃度的三維空間分布。研究表明，高氣壓等離子體中，氣體加熱非常顯著，電極溫度的控制對(duì)于等離子體的穩(wěn)定性至關(guān)重要。熱效應(yīng)成為一種重要粒子激發(fā)和離解機(jī)制，它同電子碰撞機(jī)制共同作用，有

4、時(shí)則相互競(jìng)爭(zhēng)，甚至成為主要機(jī)制，影響著等離子體中活性粒子濃度和空間分布以及放電的穩(wěn)定性。不同的脈沖占空比和頻率能夠調(diào)節(jié)等離子體的非平衡程度，影響不同粒子的相對(duì)濃度?？臻g分辨診斷結(jié)果顯示，緊貼陰極表面的一層陰極輝光區(qū)具有較大的電位降和電場(chǎng)，消耗了總放電功率中的大部分，是維持整個(gè)放電等離子體穩(wěn)定最重要的區(qū)域，其較高的電子溫度使該區(qū)域的光譜具有豐富的譜線(xiàn)結(jié)構(gòu)。正柱區(qū)是整個(gè)等離子體的主體，較低的電子溫度和較高的氣體溫度使該區(qū)域具有較低的非平衡性

5、，熱效應(yīng)比較明顯。示波器診斷結(jié)果顯示，典型的等離子體衰減特征時(shí)間約為65微秒，遠(yuǎn)低于低氣壓時(shí)的衰減時(shí)間，而等離子體密度上升特征時(shí)間在幾百微秒的量級(jí)，隨放電參數(shù)的變化而不同。電流、占空比、頻率、電極間距和氣壓變化可以影響等離子體的衰減和增長(zhǎng)速率。而氣體流量、甲烷和氬氣濃度對(duì)等離子體的衰減速率影響不大。
　　 利用這種等離子體在甲烷和氫氣中進(jìn)行了金剛石厚片的制備研究，目前可以生長(zhǎng)出直徑75mm，厚度達(dá)5mm的金剛石厚片。金剛石片的質(zhì)

6、量和厚度均勻性受到氣壓、甲烷濃度、電流、基底大小等多個(gè)參數(shù)既相互關(guān)聯(lián)又相互制約的影響。高氣壓碳?xì)涞入x子體中過(guò)多的碳團(tuán)簇不利于金剛石厚片的生長(zhǎng)。
　　 在高氣壓直流碳?xì)涞入x子體中首次觀(guān)察到一種厘米尺度、具有三維空間分布的金剛石樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的自組織生長(zhǎng)，等離子體中大量的帶電團(tuán)簇在金剛石樹(shù)的生長(zhǎng)過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用。該發(fā)現(xiàn)被《Nature China》選為當(dāng)年來(lái)自中國(guó)大陸和香港的突出科學(xué)研究成果并作為研究亮點(diǎn)報(bào)道。直流等離子體中實(shí)現(xiàn)金剛