高气压大功率平板位型直流辉光等离子体特性及放电物理研究

高气压、大功率直流辉光等离子体具有较高的电子能量和气体温度，气体分子离解效率高，在放电中可以获得大量活性粒子，在功能薄膜快速沉积应用中具有独特的优势。本项目基于均匀功能薄膜快速沉积的应用背景，采用实验研究与数值模拟相结合，开展在高气压和大功率条件下具有平板电极位型的直流辉光等离子体放电物理及技术研究。研究稳定直流辉光等离子体产生的技术参数区间、条件与控制方法；研究直流辉光放电中等离子体的温度场特征、等离子体参数空间特征等与稳定辉光放电的关系；研究脉冲运行对放电的影响。在数值模拟方面，研究等离子体各种活性粒子的输运、温度场特征和电场结构。将模拟与实验研究相结合，建立理论模型，在高气压强流均匀直流辉光等离子体放电机理上获得突破，并将该技术应用于功能碳基薄膜的快速沉积。

由于气压高、粒子碰撞频率大，高气压直流辉光等离子体具有较高的分子离解效率和高浓度活性粒子，在功能薄膜沉积应用中具有独特的优势。但随着气压增加，等离子体中气体温度升高，各种不稳定效应增强，易诱发辉光放电向弧放电转变。高气压均匀辉光等离子体放电的实现和维持是一个技术难题，且放电物理机制还远未清楚。. 本项目开展了高气压和大功率条件下具有平板电极位型的直流辉光等离子体放电物理及技术研究。通过装置的不断改造和放电参数的优化，可在100-200Torr气压范围内产生稳定的直流辉光等离子体，最大功率约为15kW，等离子体最大直径约80mm。在放电机制方面，利用多种诊断技术研究了直流辉光放电等离子体的I-V特性、温度场特征以及等离子体特性。. 研究表明，高气压氩气/氢气等离子体辉光放电属于反常辉光模式。阴极辉光随放电电流在阴极侧壁膨胀，直到完全覆盖侧壁。当电流不变时，电压随气压增加急剧下降，然后反转增加。这种I-V特性与阴极侧壁的辉光状态有关，表明了等离子体的自调整特性，这对维持稳定的高气压辉光放电是有意义的。高气压辉光碳氢等离子体的气体温度平均在1500K以上，热效应成为一种重要的等离子体激发和离解机制，它同电子碰撞机制共同作用，影响着等离子体中各种粒子的空间分布以及放电的稳定性。等离子体不同区域光发射特性存在明显差异，在阴极区出现大量复杂的光谱成分，电子温度高，表明高气压情形下等离子体与阴极间强烈的相互作用导致了复杂的原子分子过程。阳极区粒子发射谱线明显减少。正柱区存在着以C2 和CH 为主的多个带状谱和分立谱线；从低气压到高气压演变过程中, 电子激发温度降低而气体分子转动温度升高。高气压下，高甲烷浓度导致C2, C2H2 及C2H4 增多而C2H6 减少。这些表明气体温度对气相过程的影响作用显著增强。模拟了电子温度及主要活性粒子的三维空间分布。. 利用碳氢等离子体，制备出直径75mm，厚度达5mm的金刚石片，生长速率高达15微米每小时。在沉积中观察到金刚石大颗粒和碳树的生长，它们的形成相互排斥，这与真空室器壁上的积碳层有关。建立了基于器壁电位的物理模型，解释这种高气压直流碳氢等离子体中的碳材料自组织生长。. 通过本项目系列的研究工作，突破了形成高气压均匀辉光等离子体的放电技术，在放电机理研究上获得了有意义的成果。