（光学专业论文）脉冲激光烧蚀等离子体和ecr等离子体及相互作用的光谱研究.pdf

脉冲激光烧蚀等离子体和e c r 等离子体及相互作用的光潜研究摘要 脉冲激光烧蚀等离子体和e c r 等离子体及 相互作用的光谱研究 摘要 本论文的研究对象为对固体的脉冲激光烧蚀( p u l s e d l a s e r a b l a t i o n ，p l a ) 产生的等离子体( 简称p l a 等离子体) 和对气体的电子回旋共振( e l e c t r o n c y c l o t r o nr e s o n a n c e ，e c r ) 微波放电产生的等离子体( 简称e c r 等离子体) ， 主要通过等离子体光谱的测量分析来研究这两类等离子体及它们之间的相互作 用，了解相关的等离子体特性，也为激光和等离子体一些技术应用提供参考。内 容可分为三大部分：非化学活性的e c r 氩等离子体和石墨靶烧蚀的p l a 碳等离 子体及它们之间的相互作用；化学活性的e c r 氮等离子体和石圣靶烧蚀的p l a 碳等离子体及它们之间的相互作用；硅靶烧蚀的p l a 硅等离子体的时空演变。 近年来，脉冲激光烧蚀在薄膜材料沉积，化学成分分析、材料加工处理，外 科手术等方面取得了成功的应用。例如，基于脉冲激光烧蚀的脉冲激光沉积 ( p u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n ，p l d ) 方法在制备半导体或绝缘薄膜，高温超导薄膜 以及铁电、压电，磁光等各种特殊功能薄膜等方面得到了直接而成功的应用。 e c r 微波放电可以在低工作气压下产生密度高，电离度高、纯度高的等离子体。 在e c r 微波放电和脉冲激光烧蚀共同作用下引发的等离子体兼具e c r 等离子体 和p l a 等离子体特点，其独特的性质使得它在某些应用上可以获得独到的效果。 例如把e c r 微波放电和脉冲激光烧蚀结合起来可以构成一种詹性源辅助成膜方 法e c r 等离子体辅助脉冲激光沉积( 简称e c r - p l d ) ，这一薄膜制备薄膜方法 综合了e c r 微波放电和脉冲激光沉积两种技术的特点：基于强烈非平衡过程的 脉冲激光烧蚀可以突破某些平衡热力学的限制；脉冲激光对靶烧蚀产生的粒子具 有较高的动能和位能，这使得低温成膜成为可能；e c r 等离子体提供大量化学 活性成分，它们易于与激光烧蚀的产物反应；低能量的e c r 等离子体束流对衬 底和生长中的膜层的轰击能有效引发表面反应，促进成核和膜层形成，有助于改 善薄膜的生长条件和质量。本文针对e c r - p l d 方法在制备d l c 薄膜和c n x 薄 膜上的应用，运用光谱诊断法对两种等离子体的成分信息，时空演变等特性进行 研究，同时结合d l c 薄膜和c n x 薄膜的分析表征，对其中的成膜过程及机理作 一些探讨。 d l c 薄膜作为一种应用十分广泛的薄膜，历来受到人们的关注d l c 薄膜 具有特殊的光学，力学和电学特性运用p l d 方法制备薄膜过程中，常充入不 同背景气体作为缓冲气体，以改善薄膜的特性。本小组在e c r 氢等离子体中烧 蚀石墨靶，以e c r 氩等离子体辅助p l d 方法开展了d l c 薄膜的沉积。本文结 复旦大学顾士学位论文 脉冲激光烧蚀等离子体和e c r 等离子体及相互作用的光谱研究摘要 合这一工作，通过测量分析p l a 碳等离子体在e c r 氩等离子体中的光谱及其演 变，并比较在真空和低压氩气中p l a 碳等离子体的光谱，分析和探讨了这两类 等离子体的相互作用以及d l c 薄膜的成膜过程。观察发现：在真空和低压氩气 中p l a 碳等离子体的光谱以碳的原子谱线扣离子谱线为主，在e c r 氲等离子体 中p l a 碳等离子体的光谱则从以碳的原子谱线和离子谱线为主逐渐过渡到以很 强的c 2 分子谱线为主，并且c 2s w a n 谱线和c 2d e s l a n d r e sd a z e m b u j a 谱线表 现出不同的空间分布和时间演变 1 9 8 9 年和1 9 9 0 年，l i u 和c o h e l l 从理论上明确地预言d c 3 n 4 结构具有可与 金刚石相媲美甚至有可能超过金刚石的硬度，其后的研究表明c n x 薄膜也具有 优良的综合机械和其它方面的性能，于是d c 3 n 4 和c n 。薄膜成为近年人们研究 和关注的热点，而如何有效地提高材料中的n 舍量是制备b c 3 n 4 和c n x 薄膜的 一个比较重要的问题。我们用e c r - p l d 方法，合成制备了n 含量超过5 0 的 薄膜。本文测量分析了这一成膜过程中的等离子体光谱及其时空演变，除了碳的 原子谱线离子谱线和c 2s w a n 谱线外，还观察到很强的c n 分子的v i o l e t s y s t e m 谱线，从而直接在实验上观察到e c r 氮等离子体和p l a 碳等离子体之间 的相互作用，证实了气相c n 分子的形成。实验观察还显示，c n 分子的v i o l e t s y s t e m 谱线出现在离靶面较远的空间，并且衬底的存在极大地增强c n 的v i o l e t s y s t e m 谱线，尤其在衬底附近以c n 的v i o l e ts y s t e m 谱线为主。光谱的时空演 变表明，e c r 氮等离子体和p l a 碳等离子体在衬底附近发生了激烈的反应，生 成了大量的气相c n 分子，这可能是用e c r - p l d 方法能有效制备高n 含量c n 。 薄膜的机理。 本文还用时间分辨和空间分辨的光谱测量方法对本征硅靶烧蚀的p l a 硅等 离子体进行了光谱诊断，测量和分析考察了p l a 硅等离子体的时间演变和空间 分布，并研究了激光能量对等离子体行为及参数的影响，观察到随着激光能量的 增大，等离子体中不同成分的最可几速率有一定的变化，并尝试对此进行了一些 分析和解释 关键词：脉冲激光烧蚀，p l a 等离子体，e c r 微波放电，e c r 等离子体，光谱诊 断，等离子体辅助脉冲激光沉积 复旦大学硕士学位论文 2 脉冲激光烧蚀等离子体和e c r 等离子体及相互作用的光谱研究 s p e c t r o s c o p i cs t u d yo np u l s e dl a s e r a b l a t i o np l a s m a ，e c r p l a s m aa n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e m a b s 1 1 认c 。r t h es u b j e c ti n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i si st h ep l a s m ap r o d u c e df r o mp u l s e dl a s e r a b l a t i o no fs o l i dt a r g e ta n dt h ep l a s m ap r o d u c e df r o me l e c t r o nc y c l o t r o nr e s o n a n c e d i s c h a r g eo fg a s ；w ea t t e m p tt os t u d yt h ep l a s m aa n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e m u s i n go p t i c a le m i s s i o ns p e c t r o s c o p y , u n d e r s t a n dt h e i rc o r r e l a t i v ec h a r a c t e r i z a t i o na n d p r o v i d es o m er e f e r e n c e sf o rt h ea p p l i c a t i o n so f l a s e ra n dp l a s m a t h ec o n t e n ti n c l u d e s t h r e ep a r t s ：e c ra r g o np l a s m aa n dp l ac a r b o np l a s m aa n dt h e i ri n t e r a c t i o n ；c h e m i c a l a c t i v ee c rn i t r o g e np l a s m aa n dp l ac a r b o np l a s m aa n dt h e i ri n t e r a c t i o n ；t h e t e m p o r a la n ds p a t i a le v o l u t i o no f p l a s i l i c o np l a s m a r e c e n t l y , p u l s e dl a s e ra b l a t i o nh a sa c h i e v e dm a n ys u c c e s s f u la p p l i c a t i o n s ，s u c h a sp u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n ( p l d ) ，c h e m i c a la n a l y s i s ，c u t t i n ga n dr m c r o - m a n u f a c t u r i n g a sw e l la sl a s e rs u r g e r y f o re x a m p l e ，u s i n gp l dm e t h o d s ，s e m i c o n d u c t o rt h i nf i l m s , l l i 曲- t cs u p e r c o n d u c t o rt h i nf i l m s ，f e r r o e l e e t r i c sa n dp i e z o e l e c t r i ct h i nf i l m sa r e s u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e d e l e c t r o nc y c l o t r o n r e s o n a n c em i c r o w a v ed i s c h a r g ec a i l p r o d u c ep l a s m a sw i t hh i 曲d e n s i t y , h i g hd e g r e eo fi o n i z a t i o n , a n dh i l g hp u r i t ya tl o w w o r k i n gp r e s s u r e s t h ep l a s m ap r o d u c e d f r o mb o t he c ra n dp l ah a v et h e c h a r a c t e r i z a t i o n so fe c rp l a s m aa n dp l ap l a s m a , i t su n i q u ep r o p e r t i e sc a na c h i e v e s p e c i a le f f e c ti ns o m ea p p l i c a t i o n s f o re x a m p l e ，e c rp l a s m aa i d e dp l d i sau s e f u l t e c h n i q u ef o rp r e p a r i n gt h i nf i l m s e c r - p l dm e t h o dc o l l i g a t e st h ea d v a n t a g e so f p l aa n de c rp l a s m a ：a sas t r o n gn o n - e q u i l i b r i u mp r o c e s s ，p u l s e dl a s e ra b l a t i o n w o u l db r e a kt h r o u g hs o m el i m i t a t i o no fe q u i l i b r i u mt h c r m o d y n a m i e s ；p a r t i c l e s g e n e r a t e df r o mp u l s e dl a s e ra b l a t i o nh a v eh i g hk i n e t i ce n e r g ya n dp o t e n t i a le n e r g y , w h i c hm a k ei tp o s s i b l et os y n t h e s i z et h i nf i l m sa tl o wt e m p e r a t u r e s ；e c rp l a s m a c o u l dc r e a t el a r g ea m o u n t so fr e a c t i v es p e c i e s ，w h i c hc o u l dr e a c tw i t ha b l a t e d p a r t i c l e s a th i g l lr a t e s ；c o n c u r r e n tb o m b a r d m e n to ft h eg r o w i n gt h i nf i l mb y l o w - e n e r g ye c rp l a s m as t e a mw o u l d b eb e n e f i c i a lt ot h eg r o w t ho f t h i nf i l m s i nt h i s t h e s i s ，t h ec o m p o n e n t i a li n f o r m a t i o n , t e m p o r a la n ds p a t i a le v o l u t i o no ft h ep l a s m a d u r i n gt h ep r o c e s so f f a b r i c a t i n gd l c a n dc n xt h i nf i l m sb ym e a n 8o f t h ee c r - p l d m e t h o d sw e r es p e c t r o s c o p i cs t u d i e d , a n dt h em e c h a n i s mr e s p o n s i b l ef o rt h i sp r o c e s s w a sd i s e u s s e d d l ct h i nf i l m sh a v ea 1 血a c t c dc o n s i d e r a b l ei n t e r e s ta n da t t e n t i o nd u et ot h e i r 复旦大学硕士学位论文 3 脉冲激光烧蚀等离子体和e c r 等离子体及相互作用的光谱研究 a b s t r a c t p a r t i c u l a rm e c h a n i c a l ，o p t i c a la n de l e c t r o n i cp r o p e r t i e s b ym e a n so ft h ee c r - p l d m e t h o d ，w ep r e p a r e dd l c t h i nf i l m sb yp u l s e dl a s e ra b l a t i o no fag r a p h i t et a r g e ti n t h ee n v i r o n m e n to fe c r a r g o np l a s m a i nt h i st h e s i s , w ep r e s e n to p t i c a le m i s s i o n s p e c t r o s c o p i cs t u d i e so na b l a t i o np l u m e sp r o d u c e db yl a s e ra b l a t i o no fg r a p h i t ei n e c r a r g o np l a s m a , v a c u u n la n dl o w - p r e s s u r ea r g o n b yc o m p a r i n gt h es p e c t r o s c o p y i nt h e s ed i f f e r e n te n v i r o n m e n t s ，w ea t t e m p tt oa n a l y z ea n du n d e r s t a n dt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e np l a p l a s m aa n de c rp l a s m aa n dt h ep r o c e s s e di n v o l v i n gi ne c r - p l d w e f i n dt h a tt h ep l u m ee m i s s i o no r i g i n a t e sa l m o s tf r o mm o n o a t o m i cc a r b o n sa n di o n i c c a r b o n si nv a c u u ma n dl o w - p r e s s u r ea r g o n , w h i l ei na r g o np l a s m at h ep l u m ee m i s s i o n i sd o m i n a t e db yc 2r a d i c a le m i s s i o n , a n dt h ee m i s s i o n sf r o mc 2s w a ns y s t e ma n d d e s l a n d r e sd a z e m b u j as y s t e mp r e s e n td i f f e r e n tt e m p o r a la n ds p a t i mb e h a v i o r i n1 9 8 9 ，l i ua n dc o h e n p r e d i c t e dt h a tah y p o t h e t i c a lm a t e r i a l ，p - c 3 n 4 ，m a yb ea s h a r da sd i a m o n d ，a n dm a n ys t u d i e sl a t e rr e v e a l e dt h a tc a r b o nn i t r i d ef i l m sa l s o p o s s e s sr e m a r k a b l ep r o p e r t i e so fb o t hs c i e n t i f i ca n dt e c h n o l c g i 【c a li n t e r e s t t h i s p r o d u c e das u r g eo f a c t i v i t i e si nt h es y n t h e s i so f1 3 - c 3 n 4a n dc a r b o nn i t r i d et h i nf i l m s i t sv e r yi m p o r t a n tt oi m p r o v et h ee f f i c i e n tn i t r o g e ni n c o r p o r a t i o n b ym e a n so ft h e e c r p l dm e t h o d 。w eh a v ef a b r i c a t e dc n x t h i nf i l m sw i mt h en i t r o g e nc o n t e n ta b o v e 5 0a t i nt h i st h e s i s , w ep r e s e n tt e m p o r a la n ds p a t i a lr e s o l v e ds p e c t r o s c o p yi nt h i s e c r p l dp r o c e s s t h eo p t i c a le m i s s i o ns p e c t r ac o n s i s to fn o to n l ye m i s s i o n sf r o m m o n o a t o m i cc a r b o n s ，i o n i cc a r b o n s ，a n dc 2s w a ns y s t e mb u ta l s os t r o n ge m i s s i o n s f r o mc nv i o l e ts y s t e m t h es p e c t r o s c o p i cm e a s u r e m e n t ss u g g e s t e dt h a tw h i l e t r a v e l i n gi nt h en i t r o g e np l a s m ae n v i r o n m e n t ，t h ec a r b o na t o m sa n di o n se j e c t e df r o m t h et a r g e ts u r f a c er e a c tw i t ht h er e a c t i v en i t r o g e ns p e c i e si nt h en i t r o g e np l a s m aa t h i g hr a t e s ，f o r m i n gg a s e o u sc n r a d i c a l sw h i c hs e r v ea sp r e c u r s o r sf o rc a r b o nn i t r i d e f i l md e p o s i t i o n w ea l s of i n dt h a tt h ee m i s s i o nf r o mc nr a d i c a l si nt h er e g i o nn e a r b y t h es n b s t r a t ei st h es t r o n g e s ta n dt h ee x i s t e n c eo fs u b s t r a t eg r e a t l ye n h a n c e st h ec n e m i s s i o n i nt h i st h e s i sw ea l s op r e s e n tt h et e m p o r a la n ds p a t i a lr e s o l v e ds p e c t r o s e o p l c s t u d yo fa b l a t i o np l u m ep r o d u c e db yp u l s e d l a s e ra b l a t i o no fs i l i c o nt a r g e t t h e t e m p o r a la n ds p a t i a lb e h a v i o ro f p l as i l i c o np l a s m aa n dt h ei n f l u e n c eo ft h ei n c i d e n t l a s c re n e r g ya r cs t u d i e d w ef m d t h a ta st h el a s e rf l u e n c ei n c r e a s e s ，t h em o s tp r o b a b l e v e l o c i t i e so f d i f f e r e n tp a r t i c l e sc h a n g e ，a n dw e m a k es o m ep r o b a b l ee x p l a n a t i o nf o ri t k e yw o r d s ：p u b e dl a s e ra b h f i o n ，p l ap m s m a ，e c rm i c r o w a v ed 鼬a 啭e c r p l a s 砌 s p e c t r o s c o p i cd i a g n o s t i c s ，p l a s m aa s s i s t e dp u l s e dl a s e r d e p o s i t i o n 复旦大学硕士学位论文 4 脉冲激光烧蚀等离子体和e c r 等离子体及其相互作用的光谱研究第一章 第一章引言 1 , 1 等离子体和等离子体光谱测量 在绝对温度不为零的任何气体中，都有一定数量的原子电离，即除中性粒子 外，还存在带电粒子一电子和离子。但是，只有在带电粒子的密度达到其建立的 空间电荷限制着自身运动时，带电粒子才对气体的性质产生显著的影响。随着密 度的上升，这个限制变得越来越重要。当密度足够大时，正负带电粒子之间的相 互作用，使得在与气体体积线度可相比拟的体积内维持宏观电中性；这时，宏观 电中性的破坏会引起强电场的出现，从而能很快恢复电中性。正是这样密度的电 离气体称为等离子体。因为加热处于气态的( 第三态) 的物质可以得到等离子体， 有时又把等离子体称为物质的第四态。i n 众所周知，宇宙中9 9 物质处于等离子体状态。然而在地球上、在我们生活 的空间附近，却很少有天然等离子体。但是，可以采用人工激励的方法产生等离 子体。例如通过气体放电可以产生放电等离子体，高功率激光对固体和液体的烧 蚀和对气体的击穿也可以产生等离子体，即激光等离子体。 等离子体物理学正成为目前研究的热点。等离子体通常由等离子体的成分、 密度、能量( 或温度) 和时空参数来表征。常用的等离子体诊断方法及其涉及的 器件主要有吐光谱法( 单色仪及光电探测器) 、电子探测法( l a n g m u i r 探针) 、 摄影法、质谱法( 质谱仪) 等。 我们在实验中主要采取了光谱法来诊断p l a 等离子体和e c r 等离子体。光 谱测量可以提供与等离子体成分、浓度和状态等有关的信息。目前人们一般利用 光发射谱( o e s ) ，傅利叶变换红外光吸收谱( f t i r ) 、激光诱导荧光谱( l i f ) 和相干反斯托克斯喇曼光谱( c a r s ) 等光学方法诊断等离子体特性。光发射谱 直接测量等离子体光辐射，是最易实现的方法之一，它能够提供粒子成分的定性 数据和实时的信息。由于光谱技术中的探测仪器不与等离子体直接相互作用，因 此获得的信息是在不对等离子体状态产生干扰的条件下获得的，可靠性比较好 1 2e c r 微波放电和e c r 等离子体 在稳定外磁场中，电子受洛仑兹力的作用而在垂直于磁力线的平面内做拉莫 尔( l a m o r ) 回旋运动，回旋运动角频率为。= e b d m 。，其中，b o 为磁场强度， e 和m c 分别为电子的电荷和质量；如果向处于这一磁场中的气体注入微波能量 并且当电子回旋频率与沿磁场传播的右旋圆偏振荡微波频率相等时，即国。 。，电子在微波电场中将被不断同步、无碰撞加速而获得能量；如果在两次碰 撞之间电子能量高于气体粒子的激发能、电离能或分子离解能，那么将发生粒子 复旦大学硕士学位论文 脉冲激光烧蚀等离子体和e c r 等离子体及其相互作用的光谱研究第一章 的激发、电离和分子解离；当微波电源提供的功率( 等于入射功率与反射功率之 差) 适当，便可能使气体击穿，实现持续放电，从而产生等离子体。此即电子回 旋共振( e l e c t r o n i cc y c l o t r o nr e n a l l c e ) 微波放电过程，由此产生的等离子体称 为电子回旋共振微波等离子体，简称e c r 等离子体【3 1 。 e c r 微波等离子体是磁活化等离子体，它与辉光( d c ) 和高频( r f ) 放电 等离子体相比有明显的优点： 1 在低气压运行下( 1 0 - 3 1 p a ) ，仍能得到密度高( 1 0 1 1 1 0 1 3 c m - 3 ) 、电离度 高( 1 0 ) 的等离子体。 2 微波在波导中以横电波和横磁波方式传播，可以实现无内极放电，能获 得纯净的等离子体，适于作高纯度物质的制备和处理。 3 能量转换率高，微波能量有9 5 以上可以转化为等离子体能量。 4 磁场约束减小了等离子体与真空器壁的相互作用。 5 等离子体产生区与工艺加工区分开，从而可以对轰击的离子能量和流量 进行独立控制。 6 离子能量低，可大大降低工件表面的损伤，同时离子能谱窄，能获得较 好的选择性。 自9 0 年代起，e c r 微波放电技术及其e c r 等离子体的研究重点己从“工 具”研究阶段逐渐过渡到“工具”应用阶段。迄今为止，它已在工业上获得广泛 应用。在具体应用上，e c r 等离子体的技术应用已涉及沉积、外延、掺杂、氧 化、表面清洗和表面改性以及图像刻蚀等方面，所制备的薄膜的种类包括金属膜、 绝缘膜、半导体膜、超导膜、介质膜、非晶或多晶硅膜，并形成一系列的e c r 等离子体镀膜和加工工艺：例如e c r 等离子体物理气相沉积( e c r p p v d ) 、化 学气相沉积( e c r p c v d ) 、气相外延沉积( e c r m o v p e ) 、刻蚀( e c r p e ) 、聚 合( e c r p p ) 和低能掺杂等。在等离子体室的引出窗口上加上屏栅、加速栅和抑 制栅及相应的电位，就可以成为特定的e c r 等离子源，可应用于材料表面的离 子束处理，如离子束增强沉积( e c r j b e d ) 、反应离子束沉积( e c r r i b d ) 、反 应离子束刻蚀( e c r r i b e ) 、离子束注入等技术中。若在高密度e c r 等离子中 对待处理材料施加负的脉冲高电压，则发展成e c r 等离子体浸没离子注入( p i i i ) 技术。从近年来的研究工作看，上述技术已在高品质的新型材料制备和微电子、 光电子器件制造工艺方面表现了极大的优越性，并成为亚微米加工，尤其是深微 米刻蚀的有利工具。 复旦大学硕士学位论文 6 脉冲激光烧蚀等离子体和e c r 等离子体及其相互作用的光谱研究第一章 1 3 脉冲激光烧蚀和脉冲激光烧蚀等离子体 1 3 1 脉冲激光烧蚀的研究背景 上世纪6 0 年代初，m a i m a n 成功制造了世界上第一台激光器。紧接着人们就 开始对激光辐射与物质相互作用的理论和实验进行广泛的研究。研究人员发现使 用高强度激光很容易使材料烧蚀( a b l a t i o n ) 使之蒸发汽化，这一发现提示人们， 利用激光烧蚀可以进行薄膜的沉积。这一想法也很快在1 9 6 5 年被s m i t h 和t u r n e r 等人得到证实【4 】。但在此后的二十余年里，它并没有引起人们足够的重视，相关 研究和应用的进展也不显著。1 9 8 7 年d i j k k a m p 等人利用脉冲激光沉积( p u l s e d l a s e rd e p o s i t i o n , p l d ) 技术在高温超导薄膜制备方面取得了开创性的成功1 5 】，很 快引起了人们对p l d 技术以及作为p l d 基础的脉冲激光烧蚀( p u l s e dl a s e r a b l a t i o n , p l a ) 的重视，相关的理论和实验研究迅速展开。 近些年来，激光烧蚀技术在越来越多的领域得到了成功的应用。例如： 1 脉冲激光沉积技术 5 , 6 1 ，p l d 技术在薄膜材料制备方面取得了广泛应用， 因为p l d 技术设备简单，运用灵活方便，在材料薄膜制各上具有普遍性，除了高 温超导材料薄膜外，p l d 技术后来还被广泛运用于超硬材料【7 s j ( 如c ，c n 。 b c n ) 、i i i v 族半导体化合物例( 如a i n ，g a n ) 、氧化物嘲等多种薄膜材料的制各； 2 化学成分分析【1 0 l ，利用激光烧蚀样品产生等离子，进而对等离子体成分 进行分析，能够有效推断该样品的化学成分，该技术所需样品的量少，对样品损 伤小，已经在工业领域成功应用； 3 材料切割和微加工制造l “j 4 外科手术及激光美容n 2 1 ，激光烧蚀在医学方面也取得了实际的应用，如 外科手术和激光美容等，利用激光代替手术刀，能做到切割、止血一步到位，康 复效果也优于普通外科手术，合适的激光波段与皮肤的相互作用可以有效除去老 细胞和坏细胞，促进新皮肤的生长，这也就是激光美容技术的物理基础。 虽然激光烧蚀在这么多领域取得了应用，但是激光烧蚀的机理( 例如激光与 材料的相互作用、脉冲激光烧蚀等离子体的形成及其输运、演变等过程) 至今还 没有完全清楚。 本论文的重点之一就是尝试用时空分辨的光谱测量和诊断方法通过对等离 子体光谱的测量和分析来研究p l a 等离子体的传播演变过程，包括等离子体的 产生、膨胀、输运过程以及该过程中等离子体的一些重要参数的变化( 等离子体 的温度、密度和传播速度等) ，然后对相关的等离子体应用中的机理进行探讨。 复旦大学硕士学位论文 脉冲激光烧蚀等离亏，体和e c r 等离子体及其相互作用的光谱研究第一章 1 3 2 脉冲激光烧蚀和脉冲激光烧蚀等离子体简介 脉冲激光烧蚀等离子体( p u l s c dl a s e r a b l a t i o np l a s m a ) ，也称为激光诱导等离子体( l a s e r i n d u c e dp l a s m a , l i p ) ，其成分是强激光与物质相 互作用后从物质表面烧蚀出来的产物。如图1 1 所示，该产物通常是由大量的分子、原子、离子 及团簇组成，存在时间很短，在真空中呈羽毛形 状。自从脉冲激光烧蚀等离子体在诸如薄膜沉积、 材料处理等方面取得重要的应用以来，人们对激 光烧蚀等离子机理的研究产生了浓厚兴趣。研究 并了解p l a 等离子体的时空行为、等离子体中电 l a s e ri m a m s a m p l et a 帕e t 图1 1 激光烧蚀等离子体 子温度和密度、等离子体运动速度这些参数，对于我们有效地发展和完善脉冲激 光沉积及其它技术应用有重要的意义。 但是由于激光烧蚀的条件不同，很难将激光烧蚀过程用单一模型来进行描 述。针对不同的条件，如不同的激光波长( 紫外、可见、红外) 、激光能量( 1 0 4 1 0 1 0 w c m 2 ) 、脉冲宽度( 魄p s ，a s ) 、靶材料( 金属、有机物等) 、背景气压( 真空、 背景气体) ，研究人员已经建立了一些关于脉冲激光烧蚀的模型1 1 3 45 1 。 以金属样品为例，脉冲激光烧蚀等离子体在真空中产生演变过程可以分为以 下几个步骤【1 6 】：靶加热、熔融和气化，等离子体点燃，等离子体屏蔽，等离子 体自由膨胀。 大多数关于激光与金属靶材料相互作用的模型是基于热传导过程原理：当激 光与金属相互作用的时候，一部分光子能量被金属的电子所吸收，使电子激发到 更高的能态。激发的电子与晶格的声予发生碰撞，从而把能量转移给晶格。对于 金属来说，能量的驰豫时间约为1 0 4 3 s ，所以n s 激光的能量可以认为是被瞬间的 转移到金属上的。因此与激光束相互作用的金属表面局部区域的温度瞬时上升， 很快达到并超过熔点温度，激光继续作用，金属靶表面的温度上升得很高，金属 开始气化。气化以后的金属原予主要沿着垂直靶表面的方向运动。这个过程非常 短，比普通的n s 激光的脉宽要短，因此气化以后原子可以继续吸收激光的能量。 当这些气化的原子达到一定的温度时，原子就被电离，等离子体开始形成( 也称 为等离子体点燃) 。因为形成的等离子体在靶前面，所以在激光束的部分能量在 到达靶表面之前会被等离子体吸收，这也称为等离子体屏蔽【1 ”，在这段过程中， 等离子体中的原子离子吸收激光能量后，被激发到更高的能级和电离态 当脉冲激光烧蚀速率足够大时，脉冲激光烧蚀结束后等离子体经过一个所谓 的k n u d s e n 层( k n u d s c nl a y e r , g l ) 和非平衡的绝热膨i l k ( u n s t e a d y a d i a b a t i c 复旦大学硕士学位论文 8 脉冲激光烧蚀等离子体和e c r 等离子体及其相互作用的光谱研究第一章 e x p a n s i o n , u a e ) 后，速度分布达到了偏移的麦克斯韦分布，进入自由飞行阶段。 如图1 2 所示，在靶表面处，等离子体具有以下特征：粒子运动速度( g a s k i n e t i c v e l o c i t y ) 协加，而粒子流速度( f l o w v e l o c i t y ) u - - 0 ；在向前运动时，等离子体 相互碰撞，使得速度达到偏移的麦克斯韦分布，这个区域称为k n u d s e n 层( 微米 量级) ， 经过k n u d s e n 层后，一o o v ， 0 ，接着等离子体 进入自由飞行区域；如果等离子体的碰撞足够激烈，可能还要经过一个非稳定的 绝热膨胀( u n s t e a d y a d i a b a t i c e x p a n s i o n , u a e ) 区域后等离子体才能进入自由飞行。 g a sk i n e t i cv e l o c i t y ( v ) t a r g e t i e x p a n s i o n ； + 图1 2 等离子体在真空中膨胀演变过程 1 4 本文研究内容和结构 本论文的研究内容主要分为三个部分： 一在氩气e c r 微波放电所产生的非化学活性的e c r 氩等离子体中用脉冲 激光烧蚀石墨靶产生p l a 碳等离子体，通过对e c r 氩等离子体光谱和在e c r 氩等离子体中p l a 碳等离子体光谱的测量，了解e c r 氩等离子体和p l a 碳等 离子体的成分、在e c r 氩等离子体中p l a 碳等离子体的时空演变，研究这两种 等离子体的相互作用，并结合制备d l c 薄膜，分析和探讨相关的成膜机理。( 第 三章) 二在氮气e c r 微波放电所产生的化学活性的e c r 氮等离子体中用脉冲激 光烧蚀石墨靶产生p l a 碳等离子体，通过对e c r 氮等离子体光谱和在e c r 氮 等离子体中p l a 碳等离子体光谱的测量，了解e c r 氮等离子体和p l a 碳等离 复旦大学硕士学位论文 9 脉冲激光烧蚀等离子体和e c r 等离子体及其相互作用的光谱研究 第一章 子体的成分、在e c r 氮等离子体中p l a 碳等离子体的时空演变，着重研究与 c n x 薄膜的制备有关的化学活性的e c r 氮等离子体与p l a 碳等离子体相互作 用、作为c n x 薄膜先驱物( p r e c u r s o r ) 气相c n 分子的形成，分析和探讨用 e c r - p l d 方法制备高n 含量的c n x 薄膜的机理。 三通过对真空中纳秒脉冲激光烧蚀硅靶产生的p l a 硅等离子体光谱及其 时空特性的测量，研究p l a 硅等离子体、时空演变以及随能量变化的关系，并 对试验结果做出分析和解释。( 第五章) 本论文的章节安排如下：第二章介绍本论文中所采用的实验装置，第三章、 第四章、第五章分别为上面的研究内容，第六章为对本论文的总结和展望。 复旦大学硕士学位论文 1 0 里塑塑鲨堕丝竺曼三笪! ! 旦坠堇堕王竺墨塑三堡旦箜垄堂墅塞 苎三童 第二章实验装置 2 1e c r 微波放电和脉冲激光烧蚀实验装置 2 1 1e c r 微波放电实验装置 r 一 m i c r o w a v es y s t e m w a t e r l o a d 图2 1e c r 等离子体装置图 如图2 1 所示，整套装置分为微波系统、e c r 放电腔及反应工作室三部分。 下面对此装置原理中的一些要点作简单介绍【1 】口 微波系统的关键在于，微波通过石英耦合窗后，和一段9 0 0e 面弯曲真空波 导耦合输入e c r 放电腔，这样的装置避免了等离子体对石英窗的损伤，也大大 减小放电和溅射产物对它的污染，保证微波能量透过石英窗向放电室的有效耦 合。e c r 放电腔的设计，主要实现微波能量的有效耦合并在预期区域内产生高 密度、均匀的等离子体，并便于等离子体向反应工作室输运。合理的磁场位形分 布是e c r 微波放电腔设计的核心，同时也要考虑工作气体的引入和放电腔的水 冷。我们加装了磁轭，产生足够的磁场形成稳定的e c r 微波放电，只需2 4 a 的 线圈电流，约为未加磁轭的一半。反应工作室是由无磁不锈钢加工而成的高约 2 4 c m ，直径约2 0 c m 的圆柱形腔，并配有和真空计相连的电离规以监测反应工作 室的真空度。反应工作室是一多功能反应室。在反应工作室内，当不加环形靶时， 可研究气体微波等离子体；加环形靶后可研究固体源微波等离子体；引入激光并 复旦大学硕士学位论文 p + j 一“ 脉冲激光烧蚀等离子体和e c r 等离子体及相互作用的光普研究 第二章 使之作用于固体靶，还可研究激光等离子体和微波等离子体的相互作用。作为进 行等离子体实验研究及材料处理和制备的场所，根据不同的要求，可以较为方便 地在各功能间切换，本实验只用到其中的窗口进行光谱测量。 本实验微波源采用工作频率为2 4 5 0 m h z 1 5 m h z ，