脈沖激光燒蝕等離子體和ECR放電器等離子體相互作用的光譜研究.pdf

1、本論文的研究對(duì)象為對(duì)固體的脈沖激光燒蝕(PulsedLaserAblation,PLA)產(chǎn)生的等離子體(簡(jiǎn)稱PLA等離子體)和對(duì)氣體的電子回旋共振(ElectronCyclotronResonance,ECR)微波放電產(chǎn)生的等離子體(簡(jiǎn)稱ECR.等離子體),主要通過(guò)等離子體發(fā)射光譜的測(cè)量分析來(lái)研究這兩類等離子體及它們之間的相互作用,了解其特性和時(shí)空演變規(guī)律,也為相關(guān)的一些技術(shù)應(yīng)用提供參考。內(nèi)容可分為兩大部分:ECR放電氮等離子體和激光燒

2、蝕鋁靶產(chǎn)生的PLA鋁等離子體及它們之間的相互作用;ECR放電氮等離子體和激光燒蝕B4C靶產(chǎn)生的PLA碳硼等離子體及它們之間的相互作用。
　　 近年來(lái),脈沖激光燒蝕在薄膜材料沉積、成分分析、材料加工處理等方面取得了成功的應(yīng)用。例如,基于脈沖激光燒蝕的脈沖激光沉積(PulsedLaserDeposition,PLD)方法在制備半導(dǎo)體或絕緣薄膜、高溫超導(dǎo)薄膜以及鐵電、壓電、磁光等各種特殊功能薄膜方面獲得了直接而成功的應(yīng)用。ECR微波放

3、電可以在低工作氣壓下產(chǎn)生電離度高、純度高的等離子體。在ECR微波放電和脈沖激光燒蝕共同作用下引發(fā)的等離子體兼具ECR等離子體和PLA等離子體的特點(diǎn),其獨(dú)特的性質(zhì)使得它在薄膜制備上可以獲得獨(dú)到的效果。例如把ECR微波放電和脈沖激光燒蝕結(jié)合起來(lái)可以構(gòu)成一種活性源輔助成膜方法—ECR等離子體輔助脈沖激光沉積(簡(jiǎn)稱ECR-PLD),這一薄膜制備方法綜合了ECR微波放電和脈沖激光沉積兩種技術(shù)的特點(diǎn),獲得了許多成功的運(yùn)用。本文針對(duì)ECR-PLD方法

4、在制備A1N薄膜和BCN薄膜上的應(yīng)用,運(yùn)用光譜診斷法對(duì)兩種等離子體的成分信息、時(shí)空演變等特性進(jìn)行了研究,重點(diǎn)分析討論了兩種等離子體相互間的能量轉(zhuǎn)移和激發(fā)過(guò)程,并就此對(duì)ECR-PLD方法制備高質(zhì)量薄膜的可能機(jī)制作出探討。
　　 本小組在ECR氮等離子體中用激光燒蝕鋁靶、以ECR氮等離子體輔助PLD方法成功制備了高質(zhì)量的A1N薄膜.本文結(jié)合這一工作,通過(guò)測(cè)量分析PLA鋁等離子體通過(guò)ECR氮等離子體時(shí)的光譜及兩者的時(shí)空演變規(guī)律,比較真

5、空、氮?dú)夂虴CR放電氮等離子體中鋁原子、各價(jià)態(tài)鋁離子和N2+分子離子、N2分子光譜演變的異同,分析和探討了這兩種等離子體的相互激發(fā)作用,并對(duì)ECR-PLD方法制備高質(zhì)量薄膜的可能機(jī)制作了探討。觀察發(fā)現(xiàn):ECR氮等離子體的光譜中含有豐富的N2分子、N2+分子離子的譜線。真空時(shí),PLA鋁等離子體光譜中存在大量的A1原子和各價(jià)態(tài)A1離子的譜線。在時(shí)間飛行譜中,兩者均呈現(xiàn)單峰特性,離子速度快于原子。充入氮?dú)夂?鋁原子譜線強(qiáng)度變化不大,而鋁離子譜

6、線強(qiáng)度有所下降,單峰特性不變。ECR放電后,鋁原子譜線強(qiáng)度增強(qiáng)而鋁離子譜線強(qiáng)度變化不大,時(shí)間特性上鋁離子譜線無(wú)變化而鋁原子譜線出現(xiàn)雙峰特性并且強(qiáng)度增強(qiáng)、持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)。與此同時(shí),背景氣氛中的各成分也受到A1plume的影響:腔內(nèi)充入氮?dú)夂?A1plume通過(guò)區(qū)域即觀測(cè)到了具有和A1離子相似時(shí)空特性的N2+分子離子譜線;放電后,N2+分子離子譜線強(qiáng)度明顯增強(qiáng),時(shí)間飛行譜出現(xiàn)雙峰,其中,第一個(gè)峰與A1離子的時(shí)空行為較接近,第二個(gè)峰則與A1原子

7、第二個(gè)峰的時(shí)空行為有較好的相似度。上述現(xiàn)象說(shuō)明,當(dāng)A1plume通過(guò)背景氣氛尤其是具有活性的ECR氮等離子體氣氛時(shí),兩者間存在大量的能量交換作用,A1離子被復(fù)合而A1原子被激發(fā);同時(shí),背景氣氛也因plume的碰撞作用而更具活性。我們認(rèn)為,兩種等離子體共存區(qū)域中有大量活性A1原子、A1離子和N2+分子離子、N2分子存在,這些活性成分可能是ECR-PLD方法成功制備高質(zhì)量A1N薄膜的關(guān)鍵因素。
　　 本文還對(duì)ECR-PLD方法制備B

8、CN薄膜的過(guò)程進(jìn)行分析,通過(guò)測(cè)量PLA碳硼等離子體通過(guò)ECR氮等離子體時(shí)的光譜及兩者的時(shí)空演變規(guī)律,比較真空、氮?dú)夂虴CR放電氮等離子體中碳、硼原子、各價(jià)態(tài)硼離子和N2+分子離子光譜演變的異同,我們發(fā)現(xiàn)ECR放電作用對(duì)碳硼plume的發(fā)光特性影響不明顯,但PLA碳硼等離子體在氮?dú)夂虴CR氮等離子體中激發(fā)出了N2+分子離子的光譜,兩種情況下光譜強(qiáng)度相當(dāng)?shù)贓CR放電時(shí)N2+分子離子光譜的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng),這說(shuō)明碳硼plume的存在使得ECR氮