CN104121991B - 等离子体发射光谱二维空间分布的测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种等离子体发射光谱二维空间分布的测量系统，包括：第一离轴抛物面镜用于将等离子体光源产生的光信号准直为平行光；第二离轴抛物面镜，第一离轴抛物面镜和第二离轴抛物面镜呈中心对称设置，以将平行光进行汇聚并形成汇聚点；窄带干涉滤光片设置在汇聚点和第二离轴抛物面镜之间，用于对由第二离轴抛物面镜反射的光信号进行色散，以得到色散后的光信号；图像采集器设置在所述汇聚点以采集等离子体的发光图像。本发明的系统，结构简单、测量效率高。

Description

等离子体发射光谱二维空间分布的测量系统

技术领域

本发明涉及光谱技术领域，尤其涉及一种等离子体发射光谱二维空间分布的测量系统。

背景技术

等离子体技术广泛应用于表面改性、溅射、沉积等材料处理工艺中。处理结果与等离子体的状态参数(如电子密度、电子温度、气体温度等)密切相关。为了在材料表面的不同位置得到相对一致的处理结果，需要控制放电条件使得等离子体的状态参数的空间分布尽可能地均匀。因此，需要利用各种诊断手段对不同放电条件下的等离子体的状态参数的空间分布进行诊断，以获得这些状态参数的空间分布与放电参数(如气压、功率等)之间的规律。目前已有的诊断手段主要包括发射光谱、朗缪尔探针、激光诱发荧光等。

发射光谱法是一种简单有效并且不干扰等离子体自身放电状态的方法。结合测量的光谱数据和相应的碰撞辐射模型，可以对电子密度、电子温度、活性粒子密度等重要参数进行诊断。为了了解这些参数的空间分布，需要对等离子体的发射光谱在至少二个空间维度上的分布进行测量。光栅光谱仪是测量等离子体发射光谱的常用工具，但是光栅光谱仪只可以得到沿入射狭缝一维方向上各点处的光谱数据。利用光栅光谱仪采集发射光谱的二维空间分布的效率很低，难以应用在材料处理工艺中。朗缪尔探针是一种简单的电学诊断技术，但具有以下缺点：探针每次只能采集某一个空间位置的数据，需要移动探针以获得空间各点的数据；探针插入等离子体内部会对等离子体本身的放电状态造成干扰；朗缪尔探针通常只能用于低气压条件下；对于材料处理工艺中广泛使用的射频等离子体，需要使用滤波器以滤除等离子体电位的射频分量，这对滤波器的共振频率和特征阻抗提出了很高的要求。这些因素都限制了朗缪尔探针应用于对等离子体参数的二维空间分布的诊断。激光诊断技术可用于准确地测量多项状态参数(如活性粒子密度、电场等)，其特点是不干扰等离子体的放电状态。但是激光器系统的使用和维护较为复杂，激光光路的搭建要求等离子体腔室有特殊的结构，例如，进行激光诱发荧光测量时要求腔室在三个方向上都有光学窗口。这使得激光技术也难以应用在材料处理工艺中。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种结构简单、测量效率高的等离子体发射光谱二维空间分布的测量系统。

为了实现上述目的，本发明实施例的等离子体发射光谱二维空间分布的测量系统，包括：第一离轴抛物面镜，所述第一离轴抛物面镜用于将等离子体光源产生的光信号准直为平行光；第二离轴抛物面镜，所述第一离轴抛物面镜和所述第二离轴抛物面镜呈中心对称设置，以将所述平行光进行汇聚并形成汇聚点；窄带干涉滤光片，所述窄带干涉滤光片设置在所述汇聚点和所述第二离轴抛物面镜之间，用于对由所述第二离轴抛物面镜反射的光信号进行色散，以得到色散后的光信号；和图像采集器，所述图像采集器设置在所述汇聚点以采集等离子体的发光图像。

根据本发明实施例的等离子体发射光谱二维空间分布的测量系统，采用第一离轴抛物面镜和第二离轴抛物面镜组成离轴抛物面镜组对等离子体源的发射光进行反射，经过窄带干涉滤光片进行色散，使得一定波长的部分光信号进行透射，并由图像采集器进行空间各点处的光强，得到等离子体源的发射光在空间各点的光谱。可实现对等离子体源发射光谱的二维空间分布的测量，可用于监测材料处理工艺中等离子体发射光谱的二维空间分布，有助于优化等离子体状态参数的空间均匀性从而提高材料处理结果的空间均匀性。

在一些示例中，所述图像采集器为CCD相机或ICCD相机。

在一些示例中，还包括：光学平台，其中，所述第一离轴抛物面镜、所述第二离轴抛物面镜和所述图像采集器设置在所述光学平台上。

在一些示例中，还包括：旋转台，所述旋转台设置于所述光学平台上，所述旋转台用于驱动所述窄带干涉滤光片进行旋转以改变光信号在所述窄带干涉滤光片上的入射角度。

在一些示例中，所述旋转台可手动进行旋转。

在一些示例中，还包括：控制器，所述控制器与所述旋转台相连，所述控制器控制所

述旋转台进行旋转。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的等离子体发射光谱二维空间分布的测量系统的结构框图；

图2是本发明一个实施例的等离子体发射光谱二维空间分布的测量系统的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

图1是根据本发明一个实施例的等离子体发射光谱二维空间分布的测量系统的结构框图。如图1所示，本发明实施例的等离子体发射光谱二维空间分布的测量系统，包括：第一离轴抛物面镜100、第二离轴抛物面镜200、窄带干涉滤光片300和图像采集器400。

其中，第一离轴抛物面镜100，用于将等离子体光源产生的光信号准直为平行光。第二离轴抛物面镜200和第一离轴抛物面镜100呈中心对称设置，以将平行光进行汇聚并形成汇聚点。窄带干涉滤光片300设置在汇聚点和第二离轴抛物面镜200之间，用于对由第二离轴抛物面镜200反射的光信号进行色散，以得到色散后的光信号。图像采集器400设置在汇聚点以采集等离子体的发光图像。

具体地，在本发明的一个实施例中，还包括：旋转台500和光学平台600。第一离轴抛物面镜100、第二离轴抛物面镜200、窄带干涉滤光片300、图像采集器400和旋转台500设置在光学平台600上。光学平台600为整个系统提供一个稳定的光学基座。

旋转台500用于驱动窄带干涉滤光片300进行旋转以改变光信号在窄带干涉滤光片300上的入射角度。本发明实施例采用的窄带干涉滤光片300作为色散器件，利用窄带干涉滤光片的两个性质实现波长扫描，1，窄带干涉滤光片是一种带通滤光片，只允许某一小段波长内的光信号透射，而其他波长的光几乎无法通过。2，其允许透射的光的波长依赖于光的入射角度。窄带干涉滤光片的透射波长与入射角的关系可用以下公式表示：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\θ}}={\mathrm{\λ}}_0{[1-{\left(\frac{N_e}{N^{*}}\right)}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}]}^{\frac{1}{2}},$

其中，入射角θ为入射光与窄带干涉滤光片的法线方向的夹角，λ_θ为入射角为θ时的透射光的中心波长，λ₀为入射角为0°时的透射光的中心波长，N*为滤光片的有效折射率，N_e为外部介质的折射率。

由上式可知，透射光的中心波长随着入射角θ的增加而减小。当光垂直入射滤光片时，透射波长最长。在本发明的一个实施例中，窄带干涉滤光片的基底材料为石英玻璃(N*＝1.5)，外部介质为空气(Ne＝1),入射角为θ＝0°时的透射光的中心波长为750.0nm。当入射角θ＝10°时，λ_θ＝745.3nm。可见，入射角度的微小变化就可以引起透射光中心波长的明显改变。通过改变入射光在窄带干涉滤光片上的入射角度可以改变透射光的波长。

在实际操作中，旋转台可以由手动进行旋转，也可以引入控制器，该控制器与旋转台500相连，用于控制旋转台旋转。

进一步地，在本发明的实施例中，图像采集器400采用CCD相机或ICCD相机。CCD相机和ICCD相机均可同时采集二维空间各点处的光强。在实际操作时，每次改变窄带干涉滤光片300的角度后，CCD相机拍摄一张图像。在多次改变角度得到一系列不同波长的图像后，空间各点处的光强随波长的关系即为各点处的实测光谱I_m(λ)。实测光谱中，谱线的仪器展宽主要由窄带干涉滤光片的透射曲线决定，谱线的强度受整个系统的光学响应影响，因此需要对实测光谱进行响应修正。修正后的光谱I(λ)与实测光谱I_m(λ)的关系如下：

$I\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{I_m\left(\mathrm{\λ}\right)}{R\left(\mathrm{\λ}\right)},$

其中，R(λ)为本发明实施例的系统的光学响应曲线。

为了得到R(λ)，需要对整个系统的光学响应进行标定。标定时，将等离子体源替换为已知光谱的光源，即上式中I(λ)已知。通过改变窄带干涉滤光片的角度采集不同波长的图像以得到空间各点的光谱，即I_m(λ)。由上式即可得到本发明实施例的系统的光学响应曲线R(λ)。

当使用ICCD相机时，由于ICCD相机具有ns级别的时间分辨能力，因此还可以对等离子体发射光谱的二维空间分布随时间的演化进行测量。

例如，本发明实施例的系统的具体实现过程，如图2所示，等离子体源位于离轴抛物面反射镜1的焦点处，等离子体源发出的光由离轴抛物面反射镜1准直成为平行光。平行光经离轴抛物面反射镜2反射后，先透射过窄带干涉滤光片再聚焦于离轴抛物面反射镜2的焦点处。二维面阵CCD相机的成像面放置在离轴抛物面反射镜2的焦点处，用于采集等离子体源的发光图像。窄带干涉滤光片安装在旋转台上，通过调节旋转台可以改变光线在窄带干涉滤光片上的入射角度。

根据本发明实施例的等离子体发射光谱二维空间分布的测量系统，采用第一离轴抛物面镜和第二离轴抛物面镜组成离轴抛物面镜组对等离子体源的发射光进行反射，经过窄带干涉滤光片进行色散，使得一定波长的部分光信号进行透射，并由图像采集器进行空间各点处的光强，得到等离子体源的发射光在空间各点的光谱。可实现对等离子体源发射光谱的二维空间分布的测量，可用于监测材料处理工艺中等离子体发射光谱的二维空间分布，有助于优化等离子体状态参数的空间均匀性从而提高材料处理结果的空间均匀性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种等离子体发射光谱二维空间分布的测量系统，其特征在于，包括：

第一离轴抛物面镜，所述第一离轴抛物面镜用于将等离子体光源产生的光信号准直为平行光；

第二离轴抛物面镜，所述第一离轴抛物面镜和所述第二离轴抛物面镜呈中心对称设置，以将所述平行光进行汇聚并形成汇聚点；

窄带干涉滤光片，所述窄带干涉滤光片设置在所述汇聚点和所述第二离轴抛物面镜之间，用于对由所述第二离轴抛物面镜反射的光信号进行色散，以得到色散后的光信号；和

图像采集器，所述图像采集器设置在所述汇聚点以采集等离子体的发光图像；

光学平台，其中，所述第一离轴抛物面镜、所述第二离轴抛物面镜和所述图像采集器设置在所述光学平台上；

旋转台，所述旋转台设置于所述光学平台上，所述旋转台用于驱动所述窄带干涉滤光片进行旋转以改变光信号在所述窄带干涉滤光片上的入射角度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像采集器为CCD相机或ICCD相机。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述旋转台可手动进行旋转。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：控制器，所述控制器与所述旋转台相连，所述控制器控制所述旋转台进行旋转。