高氣壓直流輝光等離子體放電物理及技術應用研究.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用中具有獨特的優(yōu)勢。同時這種等離子體的放電裝置結(jié)構(gòu)簡單，氣體消耗低，易于實現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)應用。但是隨著氣壓升高，等離子體氣體溫度也大幅上升，宏觀上各種不均勻性如電場梯度、溫度梯度等在高氣壓下會變得非常明顯，

2、容易誘發(fā)輝光放電向弧放電轉(zhuǎn)變，這實質(zhì)上是等離子體中各種微觀不穩(wěn)定性演化的結(jié)果。對大面積高氣壓直流輝光等離子體放電物理和技術的研究對發(fā)展新型等離子體源及其應用具有重要意義。
　　 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，對大功率穩(wěn)定輝光等離子體的放電技術、放電物理及其在功能材料方面的應用進行了系統(tǒng)的研究。
　　 通過對放電電極不斷的設計改造和放電參數(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)定運行600小時以上。
　　 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；對等離子體進行了空間分辨診斷，獲得了電子溫度、氣體溫度和主要反應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，電極溫度的控制對于等離子體的穩(wěn)定性至關重要。熱效應成為一種重要粒子激發(fā)和離解機制，它同電子碰撞機制共同作用，有

4、時則相互競爭，甚至成為主要機制，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濃度。空間分辨診斷結(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，消耗了總放電功率中的大部分，是維持整個放電等離子體穩(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結(jié)構(gòu)。正柱區(qū)是整個等離子體的主體，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間約為65微秒，遠低于低氣壓時的衰減時間，而等離子體密度上升特征時間在幾百微秒的量級，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速率。而氣體流量、甲烷和氬氣濃度對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行了金剛石厚片的制備研究，目前可以生長出直徑75mm，厚度達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、基底大小等多個參數(shù)既相互關聯(lián)又相互制約的影響。高氣壓碳氫等離子體中過多的碳團簇不利于金剛石厚片的生長。
　　 在高氣壓直流碳氫等離子體中首次觀察到一種厘米尺度、具有三維空間分布的金剛石樹枝狀結(jié)構(gòu)的自組織生長，等離子體中大量的帶電團簇在金剛石樹的生長過程中起到了關鍵作用。該發(fā)現(xiàn)被《Nature China》選為當年來自中國大陸和香港的突出科學研究成果并作為研究亮點報道。直流等離子體中實現(xiàn)金剛