一种用于非均匀等离子体射流的双探针、诊断方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于非均匀等离子体射流的双探针、诊断方法及系统，方法包括如下内容：双探针的两根金属电极包裹于非均匀等离子体射流内，通过改变串接在所述双探针上的扫描电压的大小，采集每个扫描电压下所述双探针内的电流，根据扫描电压和对应的电流拟合I

【技术实现步骤摘要】
一种用于非均匀等离子体射流的双探针、诊断方法及系统


[0001]本专利技术属于等离子体参数测量方向，具体涉及一种用于非均匀等离子体射流的双探针、诊断方法及系统。

技术介绍

[0002]在等离子体应用中，参数的诊断、标定是不可或缺的环节。目前，常用的等离子体静电探针的诊断原理是基于均匀参数的假设，并且通过扫描探针电压获得I
‑
V曲线，对其开展微分计算获得参数数据，通常用于半导体刻蚀产业中的非流动均匀等离子体诊断。
[0003]在超声速非均匀等离体子射流中参数梯度较大，目前常用的探针诊断方法和设备难以直接用于超声速非均匀等离子体射流，极有可能产生显著的误差。如单探针诊断原理为通过对I
‑
V曲线过渡区的数据点进行微分得到电子温度，此方法要求探针的探测精度足够高，才能确保离散点微分计算结果的准确性，然而实际测量中，等离子体并不是绝对稳定，等离子体的波动、震荡、不均匀性都可能导致原有测量方法的测量结果错误。而双探针的诊断误差主要源于超声速非均匀等离子体中存在的空间电位差，这种电位差的存在就导致无法用常规的双探针曲线对实验数据进行拟合或计算，否则会得到错误的测量结果。
[0004]测量结果带来的误差在计算等离子体的特征参数过程中会被放大。而且超声速非均匀等离子体射流并不是绝对稳定的状态，测量时间越长，误差越大。而现有的双探针方法，不适用于超声速非均匀等离子体射流的特征诊断。

技术实现思路

[0005]现有技术中缺少超声速非均匀等离子体射流的特征诊断方法，本专利技术特提供一种用于非均匀等离子体射流的双探针、诊断方法及系统，适用于超声速非均匀等离子体的特征诊断，以解决超声速流动下等离子体非均匀性的特征测量问题。
[0006]在本专利技术的第一个方面，提供了一种用于非均匀等离子体射流的双探针诊断方法，所述方法包括如下内容：双探针的两根金属电极包裹于非均匀等离子体射流内，通过改变串接在所述双探针上的扫描电压的大小，采集每个扫描电压下所述双探针内的电流，根据扫描电压和对应的电流拟合I
‑
V曲线，根据所述I
‑
V曲线的参数得到超声速非均匀等离子体射流的特征参数。
[0007]进一步地，超声速非均匀等离子体射流的特征参数的计算方法为：根据所述双探针的扫描电压和对应的电流数据，结合所述I
‑
V曲线的推导公式：能够拟合得到所述I
‑
V曲线的参数，以在消除电势非均匀引起的测量误差的同时，得到超声速非均匀等离子体射流的特征参数包括离子饱和电流、电子温度；
[0008]式中，I为探针的电流大小，V为探针的扫描电压，I
i,sat
为离子饱和电流，
△
V为两根金属电极等离子体空间电位差，T
e
为等离子体中的电子温度。
[0009]进一步地，所述超声速非均匀等离子体射流的特征参数还包括电子密度，基于等离子体电中性条件，结合超声速非均匀等离子体射流的所述离子饱和电流和所述电子温度，根据公式计算出电子密度。
[0010]在本专利技术的第二个方面，提供一种应用于非均匀等离子体射流的双探针诊断方法的系统，所述系统包括：
[0011]双探针，所述双探针的两根金属电极包裹于超声速非均匀等离子体射流内；
[0012]供电单元，用于给所述系统供电；
[0013]扫描单元，连接所述双探针，用于为所述双探针提供大小可调的扫描电压；
[0014]数据采集单元，连接所述扫描单元，用于采集所述双探针在不同扫描电压下对应的电流数据，并对扫描电压和电流的测量数据进行拟合、计算，得到超声速非均匀等离子体射流的特征参数。
[0015]进一步地，所述数据采集单元包括采集卡和数据处理模块，所述采集卡上设有多路模拟信号输入端子、模拟信号输出端子和接地端子，能够同时进行多路独立采集。
[0016]进一步地，扫描单元包括信号发生模块、滤波模块、恒压功放模块和采样电阻模块，所述信号发生模块生成扫描电压，经过所述恒压功放模块将信号源放大至所需大小，所述滤波模块能够减小扫描电压的噪声干扰，将所需的信号和噪声分离，所述采样电阻模块中设有采样电阻，用于辅助获取扫描单元的电流。
[0017]在本专利技术的第三个方面，提供了一种双探针，所述双探针包括二组金属电极，二组金属电极分别由第一层套管包裹并保持有固定距离，金属电极的一端穿过固定座和螺帽，所述螺帽内设有卡齿，通过所述卡齿使得所述螺帽旋紧安装在所述固定座上，使得位于第一层套管内部的二组金属电极固定在所述固定座内；在金属电极的另一端，二组金属电极伸出所述第一层套管，使得金属电极能够伸入超声速非均匀等离子体射流中。
[0018]进一步地，在所述第一层套管外包裹有第二层套管，使得包裹有所述第一层套管的二组金属电极在所述第二层套管内保持固定距离，所述第二层套管的外径大于所述第一层套管的外径，使得所述第一层套管插入所述第二层套管内固定，以增大二组金属电极的外层防护。
[0019]进一步地，在所述固定座上设有支撑杆，通过调整所述双探针的高度，以调整所述双探针在超声速非均匀等离子体射流中的诊断位置。
[0020]进一步地，位于所述固定座内的金属电极通过电缆连接有插拔插头，通过所述插拔插头连接所述扫描单元。
[0021]本专利技术和现有技术相比具有如下有益效果：
[0022](1)本专利技术提出的诊断方法可直接用于超声速非均匀等离子体射流，通过采集每个扫描电压数值下双探针对应的电流数据，就可以进行非均匀等离子体射流的特征诊断，可以消除电势非均匀引起的测量误差，无需进行微分计算，可以避免非均匀等离子体的波动、震荡、不均匀性导致的测量误差。
[0023](2)本专利技术还提供了一种应用了上述诊断方法的系统，该系统能够生成超声速非均匀等离子体射流，只需调整扫描电压，就能够得到基于双探针的特征参数，而且能够同时进行多路独立采集。
[0024](3)本专利技术提供的改进后的双探针，能够用于超声速非均匀等离子体射流扫描，通过套管的刚性结构设置，可以保证金属电极的诊断位置在等离子体射流中稳定，不会晃动，其中设置了多重机构以保证金属电极的安全稳定和诊断位置的精确度。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本专利技术的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
[0026]图1为现有技术中双探针常用的I
‑
V曲线理论关系式图；
[0027]图2为本专利技术实施例中非均匀等离子体下，双探针的I
‑
V曲线理论关系式图；
[0028]图3为本专利技术实施例中系统的结构框图；
[0029]图4为本专利技术实施例中双探针的结构示意图；
[0030]图中标号为：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于非均匀等离子体射流的双探针诊断方法，其特征在于，所述方法包括如下内容：双探针的两根金属电极包裹于非均匀等离子体射流内，通过改变串接在所述双探针上的扫描电压的大小，采集每个扫描电压下所述双探针内的电流，根据扫描电压和对应的电流拟合I
‑
V曲线，根据所述I
‑
V曲线的参数得到超声速非均匀等离子体射流的特征参数。2.根据权利要求1所述的一种用于非均匀等离子体射流的双探针诊断方法，其特征在于，超声速非均匀等离子体射流的特征参数的计算方法为：根据所述双探针的扫描电压和对应的电流数据，结合所述I
‑
V曲线的推导公式：能够拟合得到所述I
‑
V曲线的参数，以在消除电势非均匀引起的测量误差的同时，得到超声速非均匀等离子体射流的特征参数包括离子饱和电流、电子温度；式中，I为探针的电流大小，V为探针的扫描电压，I
i,sat
为离子饱和电流，
△
V为两根金属电极等离子体空间电位差，T
e
为等离子体中的电子温度。3.根据权利要求2所述的一种用于非均匀等离子体射流的双探针诊断方法，其特征在于，所述超声速非均匀等离子体射流的特征参数还包括电子密度，基于等离子体电中性条件，结合超声速非均匀等离子体射流的所述离子饱和电流和所述电子温度，根据公式计算出电子密度。4.一种根据权利要求1
‑
3任一项所述的一种用于非均匀等离子体射流的双探针诊断方法的系统，其特征在于，所述系统包括：双探针，所述双探针的两根金属电极包裹于超声速非均匀等离子体射流内；供电单元，用于给所述系统供电；扫描单元，连接所述双探针，用于为所述双探针提供大小可调的扫描电压；数据采集单元，连接所述扫...

【专利技术属性】
技术研发人员：张颖，陈瀚宇，牛会亮，孙宇，曹进文，孟显，黄河激，张奇志，张晖，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：