電感耦合等離子體增強(qiáng)的容性耦合等離子體是一種新的等離子體源，采用這種放電方式可以獲得高密度均勻的等離子體。本文主要利用朗繆爾單探針對(duì)以下幾種放電方式的等離子體性質(zhì)進(jìn)行診斷：

　　①雙頻(60，13.56MHz)容性耦合等離子體；

　�、陔姼�(13.56MHz)耦合等離子體；

　�、垭姼�(13.56MHz)耦合增強(qiáng)的雙頻(60，13.56MHz)容性耦合等離子體。

　　通過研究電感耦合放電對(duì)容性耦合放電的影響，以及電感耦合功率、混合氣體比例等宏觀參量對(duì)等離子體特性的影響，獲得材料處理的最佳條件。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣壓是5Pa時(shí)：

　�、匐p頻容性耦合等離子體密度是10¹⁰ cm^-3左右，極板邊緣處等離子體密度較低，中心處較高。隨著氬氣比例增加，等離子體密度提高，電子溫度降低。

　�、陔姼旭詈系入x子體放電，隨著氬氣比例增加，等離子體密度增大。當(dāng)氬氣比例增加到70%，等離子體密度發(fā)生數(shù)量級(jí)改變，高于雙頻容性耦合等離子體。

　�、垭姼旭詈显鰪�(qiáng)的雙頻容性耦合等離子體密度較高，當(dāng)氬氣比例是80%，容性電感耦合功率200W 時(shí)，組合放電等離子體密度最高，均勻性較好，電子溫度升高，徑向差別不大。

　　通過實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)氬氣比例為80%，容性高低頻功率分別為150和50W，電感耦合功率是200W 時(shí)，雙頻(60，13.56MHz)與電感(13.56MHz)組合放電可以獲得高密度均勻的等離子體。

　　低溫等離子體物理的應(yīng)用日益成為一個(gè)具有全球影響的科學(xué)與工程。等離子體輔助加工被用來制造各種優(yōu)良性能的新材料，研制新的化學(xué)物質(zhì)，以及材料表面處理，例如等離子體可用于刻蝕，沉積及材料的表面改性等等。金屬氮化物因硬度和耐磨性能好，腐蝕性高，熱膨脹系數(shù)低，保溫性能好以及壓電常數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)在光學(xué)，電子和航空航天行業(yè)具有廣泛應(yīng)用。采用離子氮化和硬性材料物理氣相沉積(PVD)鍍層的組合工藝處理方法可有效遏制磨損、冷焊、腐蝕和材料堆積等問題。該組合工藝不僅可以提高表面硬度和抗化學(xué)能力，還可優(yōu)化材料的強(qiáng)度和韌性等。

　　2014年3月上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院趙永生，李偉等用射頻磁控濺射法研究了濺射氣壓、基片溫度和氣流比對(duì)TiSiN涂層結(jié)構(gòu)和性能的影響，結(jié)果表明：采用射頻磁控濺射法沉積可形成速率穩(wěn)定、組織致密、性能優(yōu)異的高質(zhì)量涂層。所制的TiN/Si3N4納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層受濺射氣壓、基片溫度和N2/Ar比例影響較大。

　　許多實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)等離子體參數(shù)的空間分布對(duì)材料處理的性能有重要影響，高密度均勻的等離子體能提高材料處理的效率，所以等離子體診斷對(duì)材料處理具有重要的意義。Spolaore等用不同收集面積的探針對(duì)磁控濺射氬氣等離子體診斷，得到了等離子密度、電子溫度和等離子體電勢(shì)隨功率的軸向變化規(guī)律。最近，Nakano等利用真空紫外發(fā)射光譜測(cè)量了電感耦合等離子體(ICP)，他們觀察到當(dāng)氣壓是4.98×10² Pa時(shí)，隨著射頻功率增加，氮?dú)夥纸獗壤�增大。西安電子科技大學(xué)吳振宇等研究了ICP天線源的設(shè)計(jì)對(duì)等離子體均勻性的影響。Wang W 和Foster J.等在磁控濺射銅的射頻感應(yīng)耦合等離子體系統(tǒng)中，通過加入多極磁鐵的磁場(chǎng)增加離子的密度，用發(fā)射光譜測(cè)得氬等離子體密度增加了兩倍。

　　本文使用電感耦合增強(qiáng)的雙頻容性等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，采用不同頻率組合放電產(chǎn)生等離子體，用朗繆爾探針對(duì)不同比例的氮?dú)夂蜌鍤獾入x子體特性進(jìn)行診斷，對(duì)比研究了不同頻率組合的等離子體密度，電子溫度的徑向分布規(guī)律；以及氬氣比例、ICP功率對(duì)等離子體密度和電子溫度的影響，探索產(chǎn)生高密度均勻等離子體的條件。

　　1、實(shí)驗(yàn)裝置

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)備由四大部分組成，真空系統(tǒng)，電源激勵(lì)系統(tǒng)，流量控制系統(tǒng)和探針診斷系統(tǒng)，如圖1所示。真空室是筒形立式雙層夾壁水冷不銹鋼結(jié)構(gòu)，且相對(duì)于放電中心具有軸對(duì)稱性，等離子體被局域在兩個(gè)可上下移動(dòng)的平行電極板之間，直徑是13cm 的極板間距固定為5.75cm，直徑是13cm 的ICP線圈處于距上極板5.5cm，下極板1.25cm 的位置。同時(shí)，為了進(jìn)一步的局域等離子體，避免等離子體逃逸到自由空間，用鉆有小孔且與極板同心同面的兩個(gè)均流環(huán)將等離子體區(qū)與其他空間隔離開來。單匝線圈通過側(cè)壁固定在上下極板的中間位置處。上極板采用噴淋頭的組件便于氣瓶?jī)?nèi)的氣體經(jīng)進(jìn)氣閥和混氣閥噴入真空室。電源的激勵(lì)系統(tǒng)是采用L型的匹配電路和不同頻率的功率源組成，其中匹配器由兩個(gè)可變電容和一個(gè)固定的電感線圈組成。不同的功率源可通過真空室的上下極板和側(cè)壁的ICP線圈接入真空室。所有的輸電線路盡量短并鍍銀，使其電導(dǎo)率高于銅線，從而盡量減少射頻回路中的功率損失。真空腔的底部為抽氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為兩部分，由機(jī)械泵和渦輪分子泵組成。真空腔體上連接熱偶規(guī)和電離規(guī)，分別用來測(cè)量腔體的真空度。探針的診斷系統(tǒng)是由探針，電源控制箱，探針驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器控制箱和軟件組成。直徑是0.15mm，長度10mm的探針通過DN-35CF法蘭將驅(qū)動(dòng)器的真空波紋管連接到反應(yīng)室。發(fā)射光譜儀(可選用)的光纖探頭位于真空腔室的一側(cè)，探頭采集后傳送到光譜儀(AvaSpec-2048型，北京愛萬提斯科技有限公司生產(chǎn))進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在計(jì)算機(jī)上產(chǎn)生實(shí)時(shí)的光譜圖。驅(qū)動(dòng)電源采用頻率分別為60，13.56MHz的電源，上下極板各連接60MHz和13.56MHz的功率源，ICP線圈也連接13.56MHz的功率源。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置

　　3、結(jié)論

　　本文在氣壓5Pa時(shí)，采用郎繆爾探針對(duì)三種不同放電方式的等離子體源進(jìn)行診斷，對(duì)不同比例的氮?dú)夂蜌鍤饣旌蠚怏w放電產(chǎn)生的等離子體密度和電子溫度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣壓和混合氣體比例相同時(shí)：

　　①DFCCP放電，等離子體的密度大小在10¹⁰cm^-3左右，邊緣較低，中心較高，徑向均勻性不理想。隨著氬氣比例增加，等離子體密度增加，電子溫度降低。

　�、贗CP放電和雙頻容性耦合放電相比，等離子體的密度較高，而且極板邊緣處較高，中心較低。在氬氣比例較低時(shí)，等離子體的密度徑向分布比較均勻，但是高密度和均勻性不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)。另外當(dāng)氬氣比例是80%時(shí)，隨著ICP功率增加，等離子體密度增加。

　�、鄄捎肈FCCP和ICP組合放電后，在同樣的氬氣比例下，等離子體密度高于DFCCP和ICP，和DFCCP相比，徑向的電子溫度不僅得到了提高而且徑向各點(diǎn)差別不大。當(dāng)氣壓5Pa，容性高頻功率150W，容性低頻功率50W，ICP功率200W 時(shí)，調(diào)節(jié)混合氣體中氬氣比例是80%時(shí)，可以獲得高密度均勻的等離子體，適合對(duì)材料表面進(jìn)行處理。