【微光譜應用】使用光纖光譜儀進行等離子體監測

實驗原理

等離子體監測可為樣品提供詳細元素分析，并確定在控制基于等離子體的過程中所需的關鍵等離子體參數。等離子體發射特征譜線可用于識別存在的元素，強度可用于實時量化粒子和電子密度。圖1為空氣300-550nm光譜曲線圖，在該波段內，N的特征譜線有1、2、3、5、7、13；O的特征譜線有4、11；Xe的特征譜線有6、8、9、10。

圖1. 空氣300-550nm光譜曲線圖

氣體混合物、等離子體溫度和顆粒密度等參數對控制等離子體過程都是至關重要的。通過向腔室引入各種氣體或顆粒來改變這些參數，將會造成等離子體特性的改變，同時也會影響等離子體與基板的相互作用。監測和控制等離子體可改善工藝和成品。

實驗系統搭建

在其他氣體被引入到等離子體腔室時，采用UV-VIS配置的Ocean HDX光譜儀、QP400系列抗老化光纖、CC-3余弦校正器進行采樣。選擇抗老化光纖是為避免由等離子體的強UV光引起的光纖內涂層降解。選擇余弦校正器CC-3從等離子腔室獲取數據可解決等離子體強度的差異和測量窗口的不均勻結構（74UV準直透鏡也可作為等離子體監測測量中余弦校正器的常用備選方案)。

圖2. 光纖光譜儀測真空室中等離子體的配置簡圖

實驗結論

圖3. 光纖光譜儀測量氬等離子體的發射光譜

通過等離子體腔室窗口測量的氬等離子體的光譜如圖3所示。位于690-900nm的強光譜線是中性氬（Ar I）的發射線，位于400-650nm的較低強度線是單電離的氬原子（Ar II）的發射線。圖3中所示的發射光譜是針對等離子體發射測量的豐富光譜數據的一個很好的示例。

圖4. 向氬等離子體中添加氫氣會改變其光譜特性。

氫氣是可添加到氬等離子體中以改變等離子體性質的二次氣體。在圖4中，添加氫氣后，在700-900 nm之間氬線的強度明顯降低。這證明了光纖光譜儀可實時測量等離子體發射光譜，以用于監測二次氣體對等離子體特性的影響能力。觀察到的光譜變化可用于確保將最佳量的二次氣體添加到腔室中以得到所期望的等離子體特性。

參考文獻

[1]龔漢東. 等離子體刻蝕中有害氣體凈化機理的研究及其應用[D]. 華南理工大學, 2002.