答辩陈述及结果在线视频

我来宣布答辩委员会的出席名单

主席是唐传翔教授

清华大学工物系

委员是蒲以康教授

清华大学工物系

高喆教授清华大学工物系

王海兴教授

北京航天航空大学宇航学院

许宇鸿研究员

核工业西南物理研究院

雷光玖研究员

核工业西南物理研究院

秘书是谭熠

清华大学工物系

好

那我们现在就开始刘飞翔同学的

博士答辩

那个先请那个谭熠老师

来把刘飞翔同学的基本情况

做个简单的介绍

刘飞翔1988年8月6日

出生于江西省遂川县

2005年考入清华大学工程物理系

2009年师从蒲以康教授

攻读博士学位

在读博士期间

他的主要成绩如下

现代光学实验94分

气体和等离子动理论93分

低温等离子体物理及

应用92分

他的基本情况就是这样的

好 那请刘飞翔同学

你大概用30分钟到60分钟时间

把你博士论文的主要内容

给大家做个介绍

好

各位老师同学下午好

我的名字是刘飞翔

然后我的导师是蒲以康教授

我的报告的题目是

脉冲射频容性耦合等离子体

当中的电子密度和温度的

演化机制研究

内容安排主要分为以下部分

首先是简单的介绍一下背景

然后在重要的研究内容一块

主要分为三个部分

首先我们讲一下在那个研究

余辉当中的

电子的动力学的时候

我们采用了朗缪尔探针

这么一种诊断手段

所以我们要针对它的诊断

出现的一些问题

进行一些探讨

第二部分是最重要的一块

是讲其中的电子损失

和冷却的机制的研究

主要是通过模型结合实验的方式

然后最后根据以前

之前两大块的实验诊断

和模型的研究

我们可以把这种研究方法

应用到一个比较实际的

就是工业当中比较实际

常用的一种放电形式当中

就是氧气

然后利用这个研究的一些内容

来对其进行一些诊断

希望能够对实际应用

有一些帮助

最后是我的结论和创新点

第一块选题背景是这样的

我选择脉冲放电

这么一种放电形式

因为它存在一个广泛的应用领域

比如说在飞秒脉冲的

激光等离子体当中

就是脉冲放电形式

然后是皮秒里边

是脉冲气相等离子

也可以作为一种开关

然后钠秒的领域里面

有一个高压脉冲的放电形式

可以用于纳米材料材料的合成

那么微秒级的脉冲放电

又可以用于辅助燃烧

然后毫秒级

就是我主要研究的一个领域里头

是可以用来作为一个薄膜沉积

和刻蚀领域中

常用的一种放电形式

那么还有一些其他的应用领域

像推进或者作为离子源

那么为什么要采用脉冲放电

这种形式呢

它和普通的连续放电有什么

相比起来会有什么优势呢

那么在刻蚀领域里头

发现它有诸多的优势

比如说它可以提供

一个很好的一个调节的

离子能量和离子通量的一种手段

因为它是脉冲形式

它有脉冲占空比

和那个脉冲的重复频率

可以做额外的调节参数

它也可以作为

因为它是间断的放电形式

可以有效的保护

刻蚀的表面不会受到

太严重的一个Sputtering

就是溅射的一个损伤

那么它也可以

同时也可以减少一个Surface Charging

就是因为这个

这个右边这个图也可以显示

因为在那个正常的CW放电当中

带负电的负离子很难通过

因为负离子会在表面沉积

因此负离子在正常放电的情况下

会很难通过这个

这个势垒

然后进入到底层

所以导致在底层

会积累一些正电荷

如果是脉冲放电形式

那么在余辉当中

这个鞘层会塌缩

所以导致负离子能够有效的进入

然后使得这个底部的那个

沉积的电荷能够被有效的中和掉

所以是可以减少Surface Charing

然后它又可以更加灵活的控制

刻蚀的各项异性

比如说利用脉冲形式的刻蚀

可以看到刻蚀的那个形状

更像是一个非常垂直的角度

但是如果使用CW形式的话

它刻蚀明显就形状不太规则

不如这个好

所以综上所述采用脉冲形式

是因为相比连续放电形式

它有很多很多的优势

那么一个典型的一个脉冲放电

比如说以氩气放电为例

是一个非常简单的放电形式

我们可以看到

尽管我们输入的功率

以及我们在极板上测到的电压

都是一个非常正规的形状

是一个

上升时间非常短

大概是微秒

但是在这种情况下可以看到

等离子的活性粒子

包括电子和亚稳态

这两个的

随时间的变化的规律

相比这两个来讲

是有很长的一个Relaxation time

大概是100微秒

包括这是Pulse-on

就是功率加载的时候的一个

一个暂态

那么关闭的时候

同样有一个

很长时间的暂态

那么这两个

都是跟这两个是截然不同的

那么这个作为

电子温度来讲的话

它随时间的变化跟电子密度

或者活性粒子又很不一样

可以看到它在

刚开始的时候有一个

可能会有Overshoot

最后是它

相比电子和亚稳态来讲

更快地达到平衡

然后在Afterglow的时候

它的消减速度又要比电子密度

要快的多

所以这两个又很不一样

所以在 可以看到

这么一个典型的放电条件下

是20mTorr的氩（气）

这么一个典型条件下

它依然能够

可以看到非常的

显著的一个Relaxation的

一个这样的特征

而且不同的物理参量的话

它的Relaxation特征很不一样

而且不仅是它那个

这种特征的话

对气体的依赖性非常强

比如说对氩

氩和氧气来比

如果在Pulse-off

功率关闭的情况下

可以看到正常的氩气放电的话

它的电子密度

就会随时间在Afterglow

会有下降

因为它有扩散损失

但是对于氧气来讲

同样的一个

完全相同的参数条件下

在功率关闭的时候

Power-off的时候

可以看到

功率关闭电子密度是上升

而不是下降

所以对这两个气体的比较

可以看到

它们的趋势是完全相反的

所以这种

这种刚才我们谈到了

脉冲放电里面暂态现象

它不仅跟不同的物理参数有关系

而且跟放电气体等

具体的放电条件也密切的相关

所以我们希望能够做一些比较

定量的具体的一个时间分辨的

一个分析和测量

仅仅是用时间平均的一个量

是无法反映这种复杂的物理过程

根据以上的介绍

我们希望能够在脉冲射频容性

耦合放电

也就是针对具体的

在刻蚀工业领域

常用的这么一种放电形式里头

去研究电子密度和温度的

演化机制

就不仅仅要进行测量

而且我们要研究它

是如何演化的

而且它的具体对应的

物理过程是什么

它的方法

我们的方法是采用实验诊断

和结合模型研究

我们主要的实验装置

这么是一个俯视图

这是我们的放电腔体

这是两块极板

它们的大小略有不同

然后这是

这个右下角是那个侧视图

就是这个

这个相对于是从上面往下面看

看到的情况

这个是我们使用的

朗缪尔探针

这个是微波干涉仪

可以测量电子的平均密度

然后我们可以除了那个朗缪尔探针

微波干涉仪

我们还可以测量发射光谱

就可以插入CCD和光谱仪等等

还可以利用实验激光的测量

这边看不到

因为放在旁边

然后还有作为电学的诊断

比如电流电压的诊断等等

这是我们主要的诊断的手段

那么回 来到我们的第一部分

就是因为我们讲到

我们要研究余辉里面的

电子的动力学

其中一个非常重要的

一个诊断的手段就是朗缪尔探针

然后在目前的朗缪尔探针的应用里头

它也有存在一些问题

这是我们常见的一个朗缪尔探针的

一个曲线

这是你加一个偏压

然后得到一个电流

但是这个

这个IV曲线

是在一个稳态的条件下得到的

就是要求等离子电位

相对于那个探针的

电位是一个定值

然后就不能有射频的分量

而且不能有

等离子是一个稳态的情况

但实际情况是什么样的

在脉冲放电情况下

我们知道如果当功率关闭的时候

等离子是会存在一个

快速变化的过程

这个时候就不再是一个

稳态的条件的情况了

所以说这个情况下

等离子在

比如说在功率关闭的时候

有个快速的变化

同时在

如果有很强的容性耦合

我们就会在那个

探针上有一个比较大的一个

位移电流

这个时候会对探针测量

造成影响

所以我们讲了

这有两个很重要的条件

一个是如果很快的等离子变化

就不再是一个稳态的条件

结合一个容性耦合

我们就会发现探针测量

将会不准确

我们在很多文献里面

看到有很多作者

在使用这个

正常的探针情况下的时候

是没有考虑到

在脉冲放电情况下

这种问题的

所以针对这个现象

我们对它进行一些定量的研究

希望能得到一些有益的启示

这是探针测量等离子体

等离子体当中的一些情形

这边

刚才讲到它容性耦合

是造成这种探针数据

数据错误的探针数据的

一个重要的原因

那么这个容性耦合的引入

是由于这个

所谓的补偿电极引起的

这块补偿电极的作用

正常情况下是在一个

比如说CW的射频放电里头

用于使得等离子电位

和探针电位在那个

任何一个时刻

都近似于是一个稳态

就是尽管那个是射频放电

就是等离子是射频振荡的

但是通过这个补偿电极

我们可以使得这个射频电压

也同样的加载在一个

探针尖上

因此实现这么一个功能

但是在脉冲放电

在Afterglow的情况下

我们是没有

Afterglow里面

余辉里面是没有射频分量的

这个时候它的存在反而是一个

是一个缺点了

因为它不仅不能提供这个作用

反而它会引起一个

很大的一个位移电流

那么就使得我们测

在脉冲余辉的情况下

我们测的电流是两份之和

一个是正常的

我们希望得到的一个粒子的

flow造成的一个Current

但实际上由于很强的

一个容性耦合

我们还可以测到一个Displacement Current

这个就是我们所不希望看到的

一个错误的信号的干扰

就是所谓的干扰项

那么由于这个干扰项的存在

我们看到正常项

我们把探针的偏压置在零的位置

我们可以测到

应该可以测到非常非常小的一个

探针的收集的电流

就是所谓这个红线引起的

我们在Afterglow

开始的时候

Afterglow开始的时候

可以看到正常的没有容性耦合的

那个电流是非常非常小的

然后是单调上升的

不是

说错了

幅度是单调下降的一种情况

但是如果一旦存在一个容性耦合

我们可以看到它的幅度是巨大的

而且它基本上都是大于零的

就是连符号都已经改变了

所以说存在与不存在容性耦合

它对探针的测量

对电流的测量

的改变是巨大的

所以我们必须要考虑

容性耦合造成的影响

那么进一步的

因为测量电流只是一个

间接的物理量

我们希望通过探针测量电路

来得到电子密度

我们发现如果正常情况下

没有容性耦合的情况下

它的测量的电子密度的变化

在余辉中的电子密度变化

是这样一个趋势

然后这个黑线

是那个微波干涉仪

作为一个校准的手段

同样呢

在同样条件下

测量的电子密度的演化

可以看到它们几乎是一样的

但是如果一旦存在一个

就是容性耦合

它的 它造成的误差是特别大

而且最后造成误差的那个

误差的方向是跟

处理数据的手段有关

如果你用 采用不同的处理手段

比如说通过Druyvesteyn方法

来获取的话

可以看到它是偏小的

如果通过另外一种

所谓热电流方法来求解的话

它是偏大的

也就是说如果这个时候

依然不去考虑容性耦合

采用 同样 例如同样的数据

进行直接处理的话

可以得到巨大的误差

这种误差来源

就是由于刚才容性耦合

造成的位移电流

那么我们采用了一个

等效的电路模型

可以去估计这种影响

可以发现利用

采用模型估计出来的趋势

就是阻碍电子密度的趋势

跟测量的趋势是一样的

也就是说我们认为

我们比较准确的抓住了

其中最重要的问题

就是位移电流的问题

使的探针的测量不准确

所以综上所述就是说

我们发现在正常CW的

RF放电里头

容性耦合的作用是为了能够

屏蔽掉那个射频的振荡的作用

但是在脉冲放电里头

在脉冲余辉当中

这个作用反而成为了一种缺点

因为它会引入位移电流

使得我们的测量不准确

那么我们进行了实际的测量

而且建立了等效电路模型

就是结合等离子

和探针一起的等效电路模型

能够准确的估计这种误差

而且从这个我们可以得到启示

如果为了能减少这种误差

我们要尽量的

尽可能来减少容性耦合

比如说我们可以减少

可以尽量的去除这种补偿电极

而且这样减少等离子在

减少探针在等离子中的

暴露面积等等

所以通过这个研究

可以获得一些

探针测量方面的启示

那么有了比较好的测量手段

我们排除了这种干扰之后

我们相信我们的数据

应该是比较可靠的

在这种情况下

我们可以利用它来比较准确的测量

余辉当中的电子的

密度的演化和温度演化

然后以此为根据

来进行 研究它们的损失

和冷却的机制

那么这个

这一块主要包括两个部分

第一个是研究比较简单的

惰性气体余辉当中的

一些演化情况

其中首先我们会介绍一个

电子密度温度的一个演化模型

这个模型和别的模型

会有什么不同

然后我们还介绍了

我们研究当中这个放电情况下的

密度的空间分布的模式

如何来判定是

是不是基模

还是别的模式

那么最后一个

一个小部分是研究一下

里边的高能电子逃逸的一些

具体的实验证据

那么这些都是惰性气体

余辉当中的情况

那么如果参入了分子气体

它会有什么不同

我们也会有一些初步的研究

那么在余辉当中

电子冷却的演化的轨迹当中

有个非常典型的一个轨迹是

肯定由于它有一些

扩散冷却的效应

它会逐步的冷却下来

但是在刚开始的时候

它的下降是比较缓慢的

然后在大概10微秒之后

它会有快速的下降

这个 就是这个过程

是我们关心的主要区域

因为在这个过程当中

是电子主要损失和冷却的过程

那么如果到比如说几毫秒以后

这个过程的话

一般来讲电子和背景气体

和离子都会达到一个热平衡

那么这个阶段

在比较早期已经研究比较透彻了

我们就

这个我们就不太关心了

所以我们关心的是比较早期

这个电子大量的逃逸

电子的密度和能量大量逃逸

这么一个阶段

那么这个 关于这一块的话呢

有一个比较形象的一个

从早期就有一个Biondi

这个人提出了一个

非常简单的形象的模型

就是在余辉当中

因为这是等离子的主等离子区域

那么在那个余辉当中

这个鞘层扮演的是一个

势垒的作用

就是所谓的离子在这儿

鞘层电场加速下

会向器壁损失

电子也是这样

但是呢这里面的电子

分为高能电子和低能电子

就是说由于这里边

鞘层扮演的是一个

势垒的作用

电子

只有高能电子才能够穿越

这个鞘层

然后打到器壁上

而低能电子是无法穿越的

那么这个模型在

不好意思

这个没有写日期

在大概1954年的话

由Biondi提出来

那么这个在2012年的时候

有个学者画了一个比较形象的图

这个 这个是

这个图如果倒过来的话

是一个EEDF的分布图

这个电子能量分布函数

这个是大量的是冷电子

那么在尾部有一些高能电子

那么右边的话是一个等离子

等离子的那个电

是电位

所谓的电位

和所谓的具体的分布的情况

可以看到

如果要想穿越鞘层达到壁上的话

只有高能电子

因为它能量高于

那个势垒的作用

才能逃逸

所以总结起来就是说

只有高能电子能逃逸

然后低能电子会被束缚在

这个势阱里头

那么这个整个过程

被形象的称为蒸发冷却的效应

就是有点像是我们

比较常见的一个蒸发效应

就是蒸发逃逸出来的分子

都是比较高能的

那么低能的都是被束缚在里头

尽管我们有这个物理图象

但是我们发现目前为止

大家提出来的一些模型

对定量解释来讲还是有差距

还是有一些距离的

比如说这个是一个电子的导数

随时间的演化的图

可以看到随着时间演化

电子温度确实在下降

模型和实验都给出来的是

下降的趋势

这个没有问题

但是这两个目前比较

比较流行的模型可以发现

它们（预见）的速度

是远远快于那个

我们实验测量到的一个衰减速度

这就提出一个问题

就是尽管我们有一些物理图象

而且我们有一些模型

但是它的定量上

差异是非常大的

那么这种差异是

是由是什么原因引起的

是由于它们那个模型简化

是过分简化了吗

还是说是因为我们那个

其他原因导致的

这要进一步的研究

类似我们希望能够

提出我们自己的模型

然后跟他们进行比较

发现他们的模型存在的问题

我们是

我们模型的出发点

是基于这张所谓的

电子能量的分布

就是这种物理图象来建立模型的

针对这部分trapped electron来讲

冷电子来讲我们认为

它存在一个

首先它由于热压力

它会有个扩散

然后它会存在

在电场的作用下有一个ion-pulling

就是因为电子

电子的质量比较小

而离子比较重

因此电子在往外跑的时候

会拉着离子一起走

这个情况下

相对于电子能量是交给了离子

因此这是一个

电子的能量损失过程

那么另外一个过程是

由于我们考虑的是trapped electrons

它存在之间的电子-电子碰撞

然后形成一个高能电子

然后逃逸的过程

那么这部分过程

也会造成电子的密度

以及能量的损失

那么结合这两个

结合这种物理图象

可以给出了一个

不是

首先这个模型的话

我们有一些这样的假设

第一我们这个模型里面

没有考虑电子温度的一个

分布情况

因为严格来讲

在鞘层边界的情况下

电子温度是会

可能会有一些变化

但是我们因为研究的主体

放在Bulk区

我们认为电子温度是均匀的

然后我们来假设

是麦克斯韦的分布

然后而且认为它那个碰撞效应

可以忽略

尤其是非…碰撞

我们这里边不考虑

因为我们考虑的是低气压的过程

然后我们主要考虑是惰性气体

然后是在一维的情况下

那么我们这个模型跟其他

在2012年那两个人提出的模型

有两个

有一些重要的差异

比如说我们把这个所有电子

分成了就是trapped electrons

和逃逸电子

这两类电子一分开的话

跟这个人是完全不一样的

因为之前的作者

都是一起来考虑

它是 不去做一些区分

因此如果不做区分的话呢

他们就无法得到

电子-电子碰撞和鞘层塌缩

由于鞘层塌缩

对于每一类电子的作用

分别是什么

他们无法区分这两个作用

然后他们在Celik模型里面

没有考虑等离子密度的

空间分布的影响

因为等离子密度空间分布

会影响到电子的扩散的一些速度

所以这个如果有

发生变化的话

也会对实际的定量结果

也会有影响

那么这里面有一个

非常重要的假设

就是电子的温度是均匀的

那么我们利用实际测量

来证实我们这一观点

可以看到左边这个图

是电子密度随位置

空间位置和随时间的变化

它的分布是非均匀的

而且随时间是有变化的

但是可以看到这边的电子温度

随空间位置和时间的话

我们可以看到这个平行线

是在不同时间的那个

走向位置的电子温度的分布

可以看到基本上是平的

就是我们证明在

在我们这种低气压条件下

确实是可以假定这个温度

是均匀的

而且根据Non-local

就是一个2011年这位作者

提出来的理论

在这种低气压条件下

而电子非局域的动力学

已经保障了确实电子温度会

会是均匀的

因此我们这个假设基本是合理的

那么在这种情况下

我们 根据我们的模型

得到一个非常非常重要的参数

叫做所谓的γ

这个γ是电子的冷却

电子损失速度和电子能量

电子密度损失速度

和电子能量损失速度的比值

这个比值可以看到是

随一个很关键的参量

tao_e比上tao_sc

这两个是分别是电子冷却的

时间和

不好意思

这是电子损失的时间

和电子发生电子…

弹性散失的时间的比值

这个值决定了γ的大小

那么这个值在很低的情况下

所谓的鞘层塌缩极限

这种情况就意味着

电子的密度比较低

主要的电子损失

都是通过鞘层塌缩造成的

因为鞘层塌缩之后

原本是属于trapped electrons

这个时候也是有能力逃逸

超过鞘层的势垒的束缚作用

而逃逸的

那么在这种情况下γ值

是非常低的

这意味着电子冷却速度

和电子的损失速度

几乎是差不了多少的

但是当到了另外一个极限

就是很高的电子密度

很高气压或者很大的

放电尺寸的时候

所谓的另外一个

电子-电子碰撞极限

这种情况下γ值就特别大

在这种极限情况下呢

电子冷却速度

会远远超过电子的

密度损失的速度

那么这种极限情况下

也就是另外两位作者

所对应的情况

所以

所以说他们两个的模型

可以认为是主要是

是描述这个极限下的情况

而对于另外一个极限

就是所谓的比较低的电子密度

比较低的气压

或者比较大的

比较小的放电尺度

这个时候

这两个作者的结果是不对的

他们会远远的高估

电子冷却的速度

那么实际情况是

我们还做

根据我们的实验

就是说这个γ是怎么拟合

因为根据我们的模型

这个γ相当于电子温度和

ne一个指数关系上的

那个幂指数

那么经过拟合这个实验数据

可以得到不同气压下的γ

可以看到我们的实验结果

是这个阴影区域

然后实验结果是这个

基本上可以反映趋势

但是最重要的一个特点

就是随着气压的下降

这个γ值迅速下降

这个趋势是符合得非常好的

对于别人的模型的话

他们的一个最大的问题是

他们的

首先他们的数值是远远的

这个4是他们的lower limit

就是他们的

给出的结果里面最低值是4

他们的结果是给不了

小于4的数

而且他们

相当于他们所谓的气压结果

他们的局限是逼近于4的

而且一般情况是大于4的

所以我们认为这种情况下

我们的模型能够更好的反映

真实的物理情况

那么这是在脉冲放电下

余辉情况下就随时间的演化

电子温度的下降情况

可以 刚刚可以看到

这两个模型的话

是 分别是预言了

非常快的一个电子冷却的速度

这跟实验不符

而我们的模型能够比较好的反映

这个实际的我们的测量结果

这个是我们的模型

是不同的模型

和我们的测量实验结果相比较

那么我们还希望能够

把我们的模型用在其他人的

实验结果上

看看是不是也能够符合

首先我们用在2012年上有个

叫Korshagen的人

测量了在15 mTorr

然后6厘米

大概6厘米的放电尺度下

测量了一个实验结果

然后跟我们黑线的模型

符合的非常好

那么2011年的这个人

也在15 mTorr的附近

大概是12厘米

就是尺度大了一倍

那么它测量

因为尺度大了一倍的话

它的冷却速度会小四倍

是平方的关系

所以它这个要

显然要缓慢的多

然后我们的实验结果

我们的模型结果

也能比较好的反映

它的下降速度

那么这个都是在

是那个鞘层塌缩极限之间

就是低密度的情况下

得到了一个模型和结果的比较

那么高密度

就另外一个极限所谓的高密度

就高两个量级的电子密度

这种情况下属于

电子-电子碰撞极限

那么在2005年Godyak

这位教授测量了不同气压下的

一个冷却的情况

那么也用我们的模型进行解释

发现基本上尤其在低气压下

符合的非常好

那么其他稍高的情况

稍稍有些出入

但是我们认为基本上

还是能够满足我们认为是

符合的比较好的

就说在不管是我们的实验

还是别人的实验

我们这个模型基本都能够解释

刚开始讲的是两个极限

就是非常低的密度

和非常高的密度

两种极限情况下的符合情况

但是如果密度比如在这种情况下

电子密度随时间变化

是在中间的情况

就是说既不太高也不太低

那么这种情况下我们发现

它的结果正好在两个极限之间

就是 就是这种情况

我们的模型

因为我们刚才讲我们这个模型

是跟那个两个比值有关系

我们模型很难精确的

预言这两个比值

在中间情况下大概会等于多少

我们的模型能够比较准确的

给出两个极限情况下的结果

但不管怎么样我们发现

在这种中间情况下

他们确实也是落在这个

两个极限之间的

是侧面上也反映

我们的模型应该是能够

比较好的反映这种

在不同的情况下

不同密度不同气压不同尺度

他大概是个什么演化规律

能够比原来模型更准确的反映

说完那个电子温度演化

看电子密度的位形的演化

这里面有个很重要的

就是电子密度的空间分布的位形

会影响电子的冷却和扩散速度

是因为里面有很重要的

所谓的电子的双极扩散过程

这个扩散过程是跟电子密度

位形是有关系的

可以看到在不同气压下

它的 它是 它会

在很低的气压下的话

这个分布位形会严重的偏离

所谓的一阶的扩散模式

一阶的扩散模式就是Cosine

就是黑线表示的

在高气压下它基本上就是

Consine就是一模

一阶模式

但是在气压

所谓气压降低

可以看到它越来越偏离

这个一阶模式

这里面会存在一个偏移

这就所谓的零阶模式

会开始变得更重要

就在Celik模型当中

他们只考虑了一阶模式

所以他们无法反映这种

当气压变得逐渐变低的情况下

零阶模式开始变得

重要的情况下

这个Celik模型就开始失效

那么另外一位作者的话

他们采用的是所谓的亚稳态

就是Quasi-steady的一个假设

他们假定边界的电子密度

和中心电子密度是个定值

那么很显然根据我们的结果

它是一个变化值

所以他们也是只是一个

近似的结果

因此我们对它进行了改进

我们提出一种判别的条件

所谓α因子

这个因子提出可以告诉我们

什么情况下一阶模式能占主要

什么情况下零阶模式能占主要

那么有了这个判别的

准确的判别因子的话

根据我们的结果我们发现

不同的我们的模型

包括Shin和Celik

他们的一阶模式的模型来讲

在低气压的情况下

我们的模型是符合的非常好的

但是如果你仅仅采用

一阶模式的话

会显著的高估它的损失速度

那么在高气压下的话

这是一样的

因为在高气压确实是一阶模型

占主要

所以我们的模型跟所谓的

一阶模式的结果是

基本上是重合的

那么我们根据这个结果

还得到另外一个所谓的

准稳态情况下

就是HL因子的使用

我们发现在高气压下

它的使用是有问题的

因为它是在假定

余辉过程当中

是一个Quasi-steady的一个演化模式

这种假设我们发现

在高气压下是不行的

必须采用更加好的

所谓去求解

一维的扩散方程

这样结果会更加准确

那么刚才讲的都是

所谓的trapped electron

就占所有电子里面

大头的冷电子的一个演化

包括冷却和损失的情况

那么里面还有一个小头

就是所谓的逃逸电子

它的数量很少

它的能量比例也很低

但是它的效应

我们是可以观测到的

通过探针我们也发现

在从放电关闭之后的

10微秒 到200微秒

尤其是早期的情况下

它有个很显然的一个EEDF的

一个 Depletion

就是高能电子的比例

明显比低能电子

要少的多的这么一个情况

这个就是由于高能电子

在这种情况下逃逸的速度

要远远高于那个低能电子

就是由于那个鞘层的

电压的一个束缚作用

求解玻尔兹曼方程的话可以看到

这边是一个计算结果

我们假定如果(EEDF)开始是麦克斯韦分布的话

在很快的时间内

高能电子就会发生一个

很快的一个损失

那么跟实验结果

跟实验结果基本上是

至少定性上符合非常好

就是我们确实在这种情况下

我们观测到了一个

高能电子快速逃逸的过程

除了这个探针的证据

我们从光谱的证据

也能非常快的看出来

假如我们把放电

CW放电关闭

仅仅两个微秒这么短的时间内

这么短的时间内我们发现

电子密度基本上在这个时间

是不会 变化是非常微小的

我们看不到电子密度

有什么变化

这个绿线是功率关闭的时刻

就绿线一关闭

我们电子密度基本上没有变化

因为我们只关闭了两个微秒

功率又提上去了

这个时候密度基本不变

但是光谱的话我们测量

811和750两组光谱的变化

可以发现750的话

在一关闭的情况下

变化大概有是另外一条线

大概是一个量级的变化

而且750这个谱线

明显出现了两个Phase

这两个Phase分别对应

高能电子产生的光

和低能电子的光

这两个Phase就是由于这边

我们 我们知道这个氩的

产生这两个光谱的一个

高能激发态的话

它有产生是有两种渠道

那么亚稳态产生和基态产生

那么从基态产生的话

它就需要高能电子

从亚稳态产生只需要低能电子

因此通过这种方式

我们就会判断高能电子的

快速的这个损失过程

从两个Phase上

可以明显的看到

这是我们对高能电子的

一个（动力学）的一个

所谓的实验证据

刚才的包括探针证据

和光谱的证据

那么刚才讲的全都是

纯的氩气放电

就是所谓的Rare gas

但是如果里面混入了

分子气体的话

它的过程会有什么样的不同呢

如果存在氩气的话

它在afterglow里头损失的

特征时间大概是2.8毫秒

但是如果你混了一点点

混了不同的

从0.7%一直混到百分之百

它的 它的时间

先是加快到0.54毫秒

加快大概是5倍左右

这个 注意这个是在5.6%

并不是纯的氧气

继续增加的话它又会

稍稍的再会上升一点

但不管怎么样

混入氧气之后

电子的损失速度明显加快

这个主要是由于超弹性碰撞

以及由于Recombination

还有当你混入氧气之后

氩的mobility会明显小于氧气的

mobility造成的

因为氩离子

会和氧气形成一个

电荷交换的过程

因此当你混入氧气之后

里面主要是O2+为主了

而不再是氩离子

这个三个原因导致了电子密度

会比混入氧气

就会加快电子的损失速度

那么这边是根据刚才那个图

画出来的电子的密度损失

特征时间可以看到

它会 混入氧气它会迅速下降

然后稍稍会有一些回升

那么对应的电子温度的话

也是会则会是相反

正好是相反的

因为电子密度正好

电子的温度会迅速上升

然后再回到一个

稍微比较高的值

那么这个简单的物理过程

可以很快的给估计下来

这里面超弹性碰撞的贡献

我们知道弹性碰撞

会造成冷却效果的话

大概是1E+7 K/s

但是如果里面

存在超弹性碰撞

在纯氧气里头

它贡献了一个能量的转移效率

是要比弹性碰撞还是要高的

所以我们简单的（估计）

就会知道

超弹性碰撞的贡献是可以

高于弹性碰撞

造成冷却效应的

因此我们从这个角度出发

建立模型然后来进行一些计算

我们看到如果是纯氩气的话

在Pulse放电afterglow里头

纯氩气的那个冷却

是比较温和的 缓慢的下降

但是在纯氧里头

可以看到是一个有迅速下降

然后再慢慢缓慢变化的

这么一个过程

那么这两个

所以说这两个物理机制

是截然不同

在氧气

在氩气放电里头

我们之前讲过是由于

蒸发冷却效应为主的

包括电子间的碰撞

和鞘层塌缩为主

但是到了纯氧气

它是一个弹性碰撞

和一个超弹性碰撞

结合的一个过程

所以导致由于物理机制的不同

他们两个的演化机制

演化的速度也截然不同

而且为了进一步

证实这个想法

我们改变了放电的

氧气放电的气压

可以看到

当气压增高的时候

在余辉当中

电子温度是会略有上升的

这个根据我们模型的估计

是因为当气压增加的情况下

里面的亚稳态粒子增加

因此超弹性碰撞效应也会增加

这个和我们实验结果也是一致的

所以我们认为在

在氩气放电里头

如果你加入氧气的话

在余辉当中由于这种

超弹性碰撞作用

它会使得电子温度的演化

截然不同

所以在有分子气体的情况下

非弹性碰撞是非常重要的过程

那么进一步的

我们除了考虑氧气之外

还可以考虑六氟化硫 氮气

可以看到这一张是总结了

在同一个气压下

不同气体的余辉当中

电子密度的演化的情况

对于氩气是最简单的

它就是一个简单的一个DK

但是氮气也是类似

但是它速度要快的多

这就是因为在氮气里头

由于非弹性效应

电子温度要远远高于

氩气里头的温度

因此这个情况下

双极扩散就快的多

因此非常快

然后对于氧气的话

在后半阶段是类似的

但是由于前半阶段

会有一个Detachment

就是氧气的亚稳态

会对氧负离子

有一个Detach作用

会形成一个新的电子产生源

因此会有一个先

先上升再下降的过程

然后对于六氟化硫来讲

则是直接的一个

电子密度的一个损失速度

特别快

因为它大概是一微秒的时间

是要远远小于什么

毫秒 毫秒量级

是差了有几个量级

这是因为它们有非常快速的

没有阈值的一个

Attachment的一个反应

这个反应会导致电子密度

迅速的损失

所以在不同的气体里头

由于不同的物理过程

它的电子损失的一个

演化是完全不一样的

因此我们可以总结一下

在这个当中我们建立了

在惰性气体放电里面

电子密度和温度

演化的一个模型

我们讨论了在地下下

壳层它所有电子碰撞过程

共同作用下的一个

电子密度损失和能量损失

特征时间的影响

而且我们还建立了一个

所谓的一个判据

可以判断电子密度分布

是处在临阶还是一阶的

一个扩散模式

并且我们进一步的

而且还初步的讨论了

不同的分子气体

它的振动激发超弹性碰撞

吸附解吸附的过程还有复合等等

对于电子密度的温度演化

一些影响

那么通过这个 这部分的分析

我们希望能够把这种分析

能够用在

在比较实际的放电里头

会有一些应用

因为在实际工业领域当中

真正的纯氩气放电是比较少的

而纯氧气放电是比较常见的

因为在刻蚀比如说

膜的刻蚀的话是用了纯氧气的

尤其是CCP的纯氧气

那么这种情况下我们刚才分析的

能对这种放电工业放电

会有什么样的作用呢

我们希望能够 能够在刚才的

基础运用当中

能够转移到一些实际应用当中去

因此我们对纯氧气方面

采取了一种叫Single-Pulse的

放电模式

就是在CW放电当中

引入一个Single-Pulse

比如10微秒或者200微秒

这么一个短暂的一个

放电停止的一个过程

这个时候去研究电子密度的

演化规律

通过这个演化规律

我们希望能得到

我们感兴趣的一些物理量

譬如说我们首先为了

因为为了研究

得到我们感兴趣的物理量

我们需要一个比较可靠的模型

然后通过这个模型

再去得到我们所希望得到的

物理量

因此我们需要研究

我们的模型的可靠性

我们在不同的一个

脉冲的长度的实验下

把我们的模型结果和实验结果

进行比较

去研究所谓的Plasma Memory

记忆效应 就是不同的一个

脉冲宽度

它的那个电子密度演化

是完全不同的

利用这种不同

我们可以看 可以看到

我们的模型还是能够

比较准确的反映

电子密度演化，因此

我们对我们的模型

比较有信心

我们认为在这两个

关键的阶段

是分别有两个这个

这两个过程

亚稳态和负离子的碰撞

以及电子的分解吸附

这两个过程主导了

这两个阶段的一个变化

因此通过这个模型

我们可以去研究等离子的电负性

它的负离子的寿命等等

因为有了这套模型的话

我们就可以对我们的实验数据

进行拟合

因为根据刚才的分析

我们对模型里面包含的物理过程

我们认为它包含了主要的

物理过程

因此能够反映实验测量

因此反过来我们就可以

利用我们的模型

去拟合我们的实验数据

得到我们感兴趣的物理参量

这是在不同气压

和不同功率的情况下

我们的模型和实验测量结果

进行拟合

得到的情况

可以看到几乎是完全一样的

因此我们根据这个结果

可以在比较大的范围内

30到500mTorr和40到1000瓦

我们认为都能得到

我们所感兴趣的电负性

负离子寿命甚至是余辉阶段的

一些电子温度等等

这些关紧的实验参数

但是这个只是

这个这种得到的那个电负性的话

如果我们希望能够它比较可靠

还是希望跟另外一个独立的

实验方法的进行比较

因此另外一种方法

比较好的方法就是

激光解吸附的方法

就是在电负性当中

如果用的是激光

把负离子全部给解吸附

然后测量电子密度氧化

就可以得到电负性

那么这种手段跟我们刚刚提到的

Single-Pulse方法进行比较可以发现

在比较大的密度范围内

基本上是一致的

所以我们认为我们这个方法

可以提供就除了传统的

激光方法之外

我们的方法也能提供一种

额外的手段

来得到电负性

而电负性在那个工业应用当中

是非常重要一个参数

因为它不仅能影响我们

电场结构

从而影响离子能量

而且它会有时候会引发

放电的不稳定性

所以得到电负性

是一个非常关键的一个参数

除了这个应用之外

我们还可以研究

利用这个模型可以研究不同的

放电的占空比

对负离子的浓度的影响

因为又一项比较重要的应用

是在如果我们生产一种负离子源

我们通常会在余辉当中

把负离子从放电当中引出来

形成一种很好用的负离子源

但是这种负离子浓度在

在余辉刚开始的时候

浓度大小跟这个占空比

会有什么关系呢

我们采用了这样一种实验

我们先控制脉冲放电的

余辉的长度

它始终是大概是2.8毫秒

然后改变Pulse-on的时间

然后我们发现随着

Pulse-on time不断增加

负离子浓度它是先上升

然后下降的过程

就是说它存在一个

最好的阶段

它并不是说你越长

它的余辉时候负离子浓度

是越高的

是 它是一个非线性的

就是不是单调上升的过程

因此通过我们的模型和

这个是实验结果

通过模型和实验

我们会发现

对这种脉冲放电形式的

负离子源

它存在一个最佳的一个

Power-on Time

就是最佳的一个占空比

这种情况下引出来

得到的负离子密度是最大的

因此总结一下

通过研究氧 脉冲放电

里面的解吸附分解吸附

以及复合等过程

我们研究的电子密度

氧化规律

那利用我们的模型

我们可以结合我们的测量

电子密度演化

我们可以有两个比较重要的应用

一个是可以利用

我们所谓的单脉冲法

可以得到等离子的一些关键参数

像电负性

负离子寿命等等

它的一个重要思想就是

因为如果我们去分析一个

正常CW放电的话

它有太多的复杂因素

比如说等离子的

里面很多的活性粒子

激发态等等

都会影响我们的测量

但是如果我们在余辉当中

去测量这么一个电负性的话

就会避开这些复杂因素

所以是利用更简单的环节

去分析复杂环节下的一些参数

第二个这种我们可以去研究

比如说脉冲占空比

对负离子浓度的一个调节作用

这个都是可以通过研究

电子密度的演化

在余辉当中演化来获得

这样的应用的

就是这样的话相当于

在之前我们研究的

在这些纯的惰性气体里面

放电的规律

如果用那个实际放电当中

是可以产生一些比较好的

应用前景的

这就是主要的一些内容

那么结论和创新

包括三个

第一个我们从时间上

确认了在余辉早期

由…和引起的物理电流

对探针测量的电子密度的干扰

而且我们建立了…例子

到探针的整体的一个

等效电路模型

…讨论结果跟我们实验结果

能够比较好的融合

第二个我们是建立了

能满足比较宽的实验条件下

不同气压不同电子密度下

包含鞘层塌缩和电子-电子散射作用的

一个这样的模型

可以描述惰性气体

余辉当中电子密度温度的演化

相比之下前人的模型

他们只能用来

用在高密度等离子情形

而且他们也没有讨论

等离子密度空间分布的影响

最后一个是我们在氧气

这么一种电负性的

脉冲放电中

发现了等离子记忆效应

引起的电子密度演化特征

相当于不同的脉冲的

不同的脉冲宽度

它的电子密度演化是不一样的

这就是由于记忆效应

造成的不同

那么通过建模分析我们发现

在比较短的脉冲放电下

存在一个氧分子

亚稳态碰撞解吸附

分子碰撞分解吸附

两个过程主导一个电子循环

相当于电子一产生

然后立马又被另外一个过程

给主导了又损失掉

是一个整个一个电子循环过程

而且揭示了在余辉晚期

氧分子的亚稳态

和振动激发态对电子超弹性碰撞

造成电子加热效应是非常显著的

正是由于这个非常显著的作用

导致在氧气放电余辉当中

电子温度的演化

跟在惰性气体当中

是截然不同的

而且这个研究结果还可以

用于诊断什么电负性

和负离子寿命等等

在实际应用当中也可能

会发挥一些作用

然后它 但是我们的研究

依然存在一些局限性

和需要进一步的工作

比如说我们

我们建了模型

在放电功率刚刚开启

和关断这种非常非常早

你比如只有几微秒的时候

是难以 是失效的

因为这种情况下

电子的EEDF会严重偏离

麦克斯韦分布

因为刚才我们讲过

在早期的情况下

它的是 它的那个尾部

有个Depletion非常显著的效应

这种情况下我们正需要

更加完整的一个动力学分析

普通的流体模型

就会失效

第二个就是分子气体

对电子密度和温度演化的影响

我们需要加入比如说

振动温度的影响

分子有大量的振动和转动能级

这个对我们实际上

它的非弹性作用

对电子作用也是很显著的

但是我们的模型当中

是把它给简化了

这里面只包含了一个振动温度

实际上得包含更多的

振动转动能级

这个也是以后可以考虑的

那么最后一个我们单脉冲法里头

就刚才用的氧气的放电里头

我们单脉冲法是没有考虑

里德堡态的影响

实际上在非常非常

低气压的情况下

氧气方面已经存在大量的

里德堡态 这种情况下

它会对我们的模型

造成一些误差

所以以后还要进一步

加入里德堡态的影响

然后是论文发表的情况

主要是三篇SCI论文两个会议

然后其他的一些二作

SCI主要发在JPD和PSST上

然后最后是要感谢

首先感谢我的博士期间的导师

蒲以康教授

然后还有众多

在生活当中有些各种帮助的老师

像Godyak提供了探针的

一些很多的技术方法

Sadeghi教我们怎么使用激光

等等

这些老师在期间都提供了

大量的帮助

还有所有实验室的成员

在我整个博士期间

都提供了很多 很多的帮助

再次表示感谢

我的报告完了

那个答辩委员会经过讨论和投票

一致认为你博士论文

是一篇优秀的博士论文

并且一致同意你通过论文答辩

并建议授予博士学位

那下面我们就委托

谭老师

把决议宣读一下

好

脉冲放电着有着广泛的应用

电子冷却同密度变化

直接影响着如何…等离子特性

是物理上的研究热点之一

论文的选题具有重要的科学意义

和应用价值

论文主要创新点

一从实验上确认了余辉早期

容性耦合引起的位移电流

对整个探针测量电子密度干扰

建立了相关的等效电路模型

电路模型

提出了修正探针数据的方法

二 建立了满足较宽实验条件的

包含电子-电子散射作用

机制的模型

计算得到的电子冷却

和密度变化结果与实验测量相吻合

三 针对电负性氧气

脉冲放电包含氧分子

亚稳态分解吸附和电子碰撞

分解吸附过程的模型

解释了在不同余辉时长下

由记忆效应引起的电子…

演化特征

揭示了在余辉晚期

氧分子亚稳态和振动激发态

对电子超弹性散射导致电子加热效应

论文表明作者具有扎实的

数学基础和现场专业知识

具有很强的独立科研能力

论文条理清楚表达正确

图表规范

答辩思路清晰以及回答问题正确

答辩委员会一致认为

该论文是一篇优秀的

博士学位论文

经表决一致同意通过论文答辩

并建议授予刘飞翔

工学博士学位