真空等离子体实验报告

真空等离子体实验报告
真空微波等离子体实验
一、实验目的
1.了解真空技术基础知识
2.利用机械泵组获得真空，并使用复合真空计测量被抽容器所能达到的真空度。

3.掌握多功能微波等离子体装置的使用方法，利用等离子体化学气相沉淀装置制备金刚石薄膜材料。

二、实验仪器
FB7008A型多功能微波等离子体装置（内置机械泵组，热偶真空计，电离真空计）、超声清洗机。

三、实验材料
硅片、氢气、甲烷或甲醇气体、乙醇和丙酮等有机溶液。

四、实验背景知识
真空是指低于一个大气压的气体空间。

压强越低，真空度越高；压强越高，真空度越低。

真空可按其压强高低划分为：粗真空、低真空、高真空、超高真空。

等离子体：又叫做电浆，是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子(原子、分子、微料等)组成的，宏观上呈现准中性，且具有集体效应的混合气体。

准中性:在等离子体中的正负离子数目基本相等，系统在宏观上呈现中性，但在小尺度上则呈现出电磁性，而集体效应则突出地反映了等离子体与中性气体的区别。

它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。

合成金刚
石薄膜的方法大概可分为四类，共有十几种，等离子体合成法就是其中之一。

该方法是将碳氢化合气体或其他含碳气体与氢气作为原料气，在真空系统中导入上述气体，经等离子活化后到达基体表面进行沉积反应。

五、仪器工作原理
本实验采用机械泵组来获得真空，使用热偶真空计和电离真空计
来测量真空。

上图是机械泵结构示意图。

机械泵的工作原理是：依靠插在偏心转子中的数个可以滑进滑出的旋片将泵体内的气体隔离、压缩，然后将其排出泵体之外。

它的极限真空度在2-10－1-10 Pa 左右。

热偶真空计
工作原理： 321Q Q Q Q ++=
Q 为电源加热灯丝产生的热量，Q1为辐射热量，Q2为灯丝与热偶
丝的传导热量，Q3为气体分子碰撞灯丝而带走的热量。

热平衡时，Q1、Q2为恒量，Q3随气体压强而变化。

压强越小，因碰撞而带走
的热量越少，温度越高，温差电动势越高；反之亦然。

热偶真空计的测量范围是0.1～100 Pa，因为在气体压力高100Pa 时，气体的热导率将不再随气体压力而显著变化。

此时，用热丝温度测量气体压力方法的灵敏度将迅速下降。

并且当气体压力低于0.1Pa 以后，由气体分子传导走的热量在总的加热功率中比例过小，测量的灵敏度也将呈下降趋势。

电离真空计
工作原理：
热阴极发射出的电子将在
飞向阳极的过程中碰撞气体
分子，并使后者发生电离，由
离子收集极接收电离的离子，
并根据离子电流强度的大小就
可以测量出环境的真空度。

其
测量范围为：2-10-7-10Pa
微波化学沉淀气装置
近代物理实验中所使用的微波等离子体化学气相沉积装置如图所示。

装置主要由微波发生器、环形器、定向耦合器、表面波导放电部分及沉积室组成。

对于CH-H2气体系统而言，气体发生离解而产生大量的含碳基团和原子氢。

含碳基团在基片表面进行结构重组,由于原子氢对SP2键碳原子的刻蚀作用远比对SP3键碳原子的刻蚀作用强烈,这样重组后具有金刚石结构的SP*键保留下来，在合适的工艺条件下,可实现金刚石的形核生长,并在基片表面上得到完整的金刚石薄膜。

六、实验过程
(1)FB7008A实验装置设计了缺水保护装置。

当首次使用本仪器时,必须把冷却水水箱里加满冷却水。

接着可按下冷却键, 3 min 后,制冷系统自动开始工作。

(2)检查确认真空气路的连接是否正常,确认气路连接正常后,进行下一步操作。

(3)按顺序依次打开总电源→冷却水→真空泵,机械泵开始抽本底真空。

抽气5 min后，打开热偶真空计，读取被抽容器的真空度并记录数据。

(4)打开电离真空计,读取被抽容器的真空度并记录数据。

先把微波功率调节旋钮逆时针调到底,然后打开高压开关,再顺时针调节微波功率调节旋钮逐步提高磁控管工作电压,使反应腔中的气体受激产生等离子体。

(5)打开气瓶阀,再打开氢气减压阀阀门。

打开转子流量计,按照书上的参考值调节流量计流量,关闭隔膜阀,关闭电阻真空计,通过调节高真空微调阀,使工作气压达到所需的气压,在气压稳定后，关闭热阻真空计。

通过调节三螺钉阻抗调配器使微波的反射最小(通过反射测量的大小观察),在反应腔内得到最大的功率。

(6)打开基片温度开关，观测在工作时基片台的工作温度,通过调节微波功率使基片台的温度达到实验所需要的工作温度。

(7)基片生长设定时间金刚石薄膜后,按以下顺序关闭装置:先关闭气路,然后逐步调低微波功率,关高压;待基片台的温度冷却到100C以下,关真空泵;再关闭冷却水电源开关;关闭总电源开关。

打开反应室手动放气阀,打开真空室,取出样品。

七、实验数据
初始等离子体：
薄膜生长过程：加热时间是15min，生长时间为15min
八、实验过程遇到的问题及解决
1.实验过程中等离子体的颜色为什么会发生变化？
答：因为激发的电子以及离子的密度和强度发生了变化。

2.用手机拍摄等离子体辉光为什么会出现黑色条纹？
答：当离子密度很大的时候，正负离子在射频电场的作用下与之产生辉光条纹。

辉光条纹作为一种自组织形式的的放电形式，呈现明暗相间的辉光区域，常见于大气压电正性气体放电中。

3.在调节最小反射测量时，等离子体辉光会熄灭。

解决办法是打开放气阀，等辉光再次亮起时重新调节三个螺旋和气体流量转子。

4.等离子体辉光偏左或偏右位置不正时，应转动其旁边的大旋钮，调节需要一定的时间，需要耐心观察。

九、思考题
1.容器抽真空的时间和什么有关？
答：被抽容器的原有大气、容器材料表面放气、大气通过容器壁结构材料向真空室内渗透的气体流量。

2.为什么测量真空度时要先打开热偶真空计，先打开电离真空计可能
会出现什么结果？
答：因为热偶真空计的测量范围是0.1～100 Pa，可以测量较粗略的真空状态。

电离真空计的测量范围是2-10-7-10Pa，先打开电离真空计有可能会烧坏电离规的灯丝。

3.本次试验获得的真空度属于什么真空范围？
答：中真空
4.影响基片温度的因素有哪些？
电阻加热控制、进入反应器的气体或蒸汽的量与成分、保温时间。