電感耦合等離子體增強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以下幾種放電方式的等離子體性質進行診斷：

　　①雙頻(60，13.56MHz)容性耦合等離子體；

　　②電感(13.56MHz)耦合等離子體；

　　③電感(13.56MHz)耦合增強的雙頻(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等離子體特性的影響，獲得材料處理的最佳條件。實驗發現當氣壓是5Pa時：

　　①雙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。

　　②電感耦合等離子體放電，隨著氬氣比例增加，等離子體密度增大。當氬氣比例增加到70%，等離子體密度發生數量級改變，高于雙頻容性耦合等離子體。

　　③電感耦合增強的雙頻容性耦合等離子體密度較高，當氬氣比例是80%，容性電感耦合功率200W 時，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。

　　通過實驗得出，當氬氣比例為80%，容性高低頻功率分別為150和50W，電感耦合功率是200W 時，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用日益成為一個具有全球影響的科學與工程。等離子體輔助加工被用來制造各種優良性能的新材料，研制新的化學物質，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，熱膨脹系數低，保溫性能好以及壓電常數大等優點在光學，電子和航空航天行業具有廣泛應用。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能力，還可優化材料的強度和韌性等。

　　2014年3月上海理工大學機械工程學院趙永生，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TiSiN涂層結構和性能的影響，結果表明：采用射頻磁控濺射法沉積可形成速率穩定、組織致密、性能優異的高質量涂層。所制的TiN/Si3N4納米復合結構涂層受濺射氣壓、基片溫度和N2/Ar比例影響較大。

　　許多實驗發現等離子體參數的空間分布對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材料處理具有重要的意義。Spolaore等用不同收集面積的探針對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隨功率的軸向變化規律。最近，Nakano等利用真空紫外發射光譜測量了電感耦合等離子體(ICP)，他們觀察到當氣壓是4.98×10² Pa時，隨著射頻功率增加，氮氣分解比例增大。西安電子科技大學吳振宇等研究了ICP天線源的設計對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耦合等離子體系統中，通過加入多極磁鐵的磁場增加離子的密度，用發射光譜測得氬等離子體密度增加了兩倍。

　　本文使用電感耦合增強的雙頻容性等離子體化學氣相沉積系統，采用不同頻率組合放電產生等離子體，用朗繆爾探針對不同比例的氮氣和氬氣等離子體特性進行診斷，對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律；以及氬氣比例、ICP功率對等離子體密度和電子溫度的影響，探索產生高密度均勻等離子體的條件。

　　1、實驗裝置

　　實驗設備由四大部分組成，真空系統，電源激勵系統，流量控制系統和探針診斷系統，如圖1所示。真空室是筒形立式雙層夾壁水冷不銹鋼結構，且相對于放電中心具有軸對稱性，等離子體被局域在兩個可上下移動的平行電極板之間，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，為了進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均流環將等離子體區與其他空間隔離開來。單匝線圈通過側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內的氣體經進氣閥和混氣閥噴入真空室。電源的激勵系統是采用L型的匹配電路和不同頻率的功率源組成，其中匹配器由兩個可變電容和一個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，該系統分為兩部分，由機械泵和渦輪分子泵組成。真空腔體上連接熱偶規和電離規，分別用來測量腔體的真空度。探針的診斷系統是由探針，電源控制箱，探針驅動器，驅動器控制箱和軟件組成。直徑是0.15mm，長度10mm的探針通過DN-35CF法蘭將驅動器的真空波紋管連接到反應室。發射光譜儀(可選用)的光纖探頭位于真空腔室的一側，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)進行數據處理，在計算機上產生實時的光譜圖。驅動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　實驗裝置

　　3、結論

　　本文在氣壓5Pa時，采用郎繆爾探針對三種不同放電方式的等離子體源進行診斷，對不同比例的氮氣和氬氣混合氣體放電產生的等離子體密度和電子溫度進行研究，發現當氣壓和混合氣體比例相同時：

　　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。

　　②ICP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，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實現。另外當氬氣比例是80%時，隨著ICP功率增加，等離子體密度增加。

　　③采用DFCCP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差別不大。當氣壓5Pa，容性高頻功率150W，容性低頻功率50W，ICP功率200W 時，調節混合氣體中氬氣比例是80%時，可以獲得高密度均勻的等離子體，適合對材料表面進行處理。