低功率大气压 Ar/CF4 微波等离子体射流的光谱诊断与全局建模

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Spectroscopic diagnosis and global modeling of low-power atmospheric-pressure Ar/CF 4 microwave plasma jets

　　

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  OH 和 C₂ 波段的光发射光谱（OES）可得出转动态和振动态温度。
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  H_α 斯塔克加宽可提供电子密度。
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  添加 CF₄ 提高了电子温度，并使解离转变为热解离。
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  全局模型以光谱为基准，模拟反应路径。

引言

传统的光学制造技术，如研磨和抛光，不可避免地会引入亚表面损伤（SSD）和表面化学改性层 [1], [2], [3]。与离子束加工相比，常压等离子体不需要真空室，成本更低且效率更高，因此被认为是光学元件确定性精密制造的关键技术之一 [4], [5]。先前的研究表明，含氟碳等离子体可用于裂纹密度较低表面的高精度整形，而对于裂纹密度较高的表面，它们是去除损伤层和实现无损伤表面的有效手段 [4]。此外，等离子体中产生的氟自由基（F）和含氟碳物种（CF_x）可以精确接枝到材料表面，显著提高表面闪络电压 [6], [7]。在光学加工和表面氟化应用中，微波耦合等离子体炬具有反应性物种密度高的特点，能够实现更高的蚀刻速率和处理效率 [8]。为了满足多样化的加工需求，Arnold 等人根据功率水平将微波等离子体源分为高功率和低功率两种类型，平均功率消耗分别为 200–400 W 和 10 W，从而覆盖了广泛的去除功能和蚀刻速率 [2]。特别值得注意的是，低功率微波等离子体炬由于其更精细的可控性，在小尺寸非球面和自由曲面光学元件的确定性整形方面表现出独特的优势。

四氟甲烷（CF₄）是一种强电负性气体，容易附着电子形成负离子，从而降低等离子体密度 [8], [9]。这使得在常压下稳定高效地产生 CF₄ 等离子体变得困难，通常需要极高的击穿电压或掺入 Ar 或 He 等易于电离的惰性气体。随着 CF₄ 浓度的增加，等离子体炬显著缩短，甚至可能发展为不稳定的丝状放电，严重损害处理效率和可控性。Wang 等人 [10] 表明，微波等离子体炬的形态、气体温度和反应性物种直接影响光学加工中的去除功能和去除速率。Dong 等人 [5] 研究了含氟（Ar/CF₄/O₂）微波等离子体炬的形态（长径比）随运行参数（气体成分和功率）的变化情况，并提出了一种调节炬形态的策略。Chen 等人 [8] 对三种工作气体（CF₄、Ar/CF₄ 和 He/CF₄）进行对比研究，用于在脉冲微波放电下产生常压含氟碳等离子体炬，评估了其放电强度、电子密度、气体温度和反应性物种传输特性，并确定 Ar/CF₄ 为最佳气体组合。Wang 等人 [9] 系统地表征了脉冲调制微波常压 Ar/CF₄ 等离子体炬的放电形态、电离过程、光发射光谱和电子密度随 CF₄ 体积分数（0%–2%）和输入功率（30–150 W）的变化情况。然而，目前对放电特性的研究主要在高功率条件下进行，关于低功率微波等离子体炬性质的研究相对较少。在数值模拟方面，大多数含 CF₄ 气体放电等离子体的建模工作集中在低压条件下 [11], [12], [13]，而常压下的模拟相对有限。Bai 等人 [14] 采用一维流体模型研究了 Ar/CF₄ 介质阻挡放电（DBD）中随 CF₄ 含量变化的粒子密度和反应路径，为优化蚀刻工艺参数提供了理论依据。

然而，上述研究是在相对较高功率水平下进行的，通常范围在 20 到 150 W 之间 [8], [9]。尽管低功率区（通常低于 10 W）Ar/CF₄ 微波等离子体的放电特性对精细和非破坏性加工具有实际意义 [2]，但目前仍未得到充分探索。此外，早期研究中获取的电子密度和气体温度分别使用微波瑞利散射和光纤测温法。然而，这些测量要么提供空间体积平均信息，要么仅限于等离子体外围，因此在表征活性区内的局部等离子体条件方面存在局限性。为了解决这些差距，本工作采用光发射光谱作为一种非侵入式诊断工具，能够表征活性等离子体中定义明确的局部区域，通过详细的光谱分析确定关键参数，如气体温度、振动温度和电子密度。这些光谱测量与零维全局模型相辅相成，用于研究非发光物种的行为并识别主导反应路径。本工作考虑的低功率运行区间提供了检查与高功率 Ar/CF₄ 微波等离子体中通常研究条件大不相同的条件下等离子体特性和反应动力学规律的机会。这种实验与计算相结合的方法整合了光谱诊断与动力学建模，能够实现等离子体行为的互补实验表征和机制解释。因此，本研究旨在通过结合光谱诊断和动力学建模，推进对低功率含氟碳微波等离子体中能量传递过程和反应动力学的理解。

章节摘要

实验平台

图 1(a) 展示了微波等离子体炬系统的示意图，主要由微波电源、双向定向耦合器、微波功率计、同轴阻抗匹配变压器、微波等离子体激发器和气体供给系统组成。微波电源是自制的工作频率为 2.45 GHz 的连续波（CW）发生器。输出功率设置为低于 10 W。一个双向定向耦合器（上海华翔有限公司，DDTO-800/2500–30，具有

全局模型描述

Ar/CF₄ 气体放电成分高度复杂，由于等离子体诊断技术的限制，基于全局模型的数值模拟已成为分析放电特性的重要方法 [35]。在本研究中，采用了一种广泛使用的等离子体全局模型，假设一个具有半径和长度的圆柱形等离子体区域，其中几何参数根据图 2 所示的等离子体形态确定。特定条件下的 Ar/CF₄ 气体混合物

等离子体炬尺寸

测量了不同微波功率水平下等离子体长度和半径随 Ar/CF₄ 气体比例的变化情况，如图 7(a) 和 (b) 所示。在氩气放电中，随着微波功率的增加，等离子体炬的直径和长度均显著增加。添加 CF₄ 后，等离子体炬长度单调减小，表明 CF₄ 强烈抑制了炬的延伸。这一观察结果与 Dong 等人 [5] 报道的发现总体一致。

结论

在本工作中，我们建立了一种协同的实验光谱和计算方法，系统地研究了低功率（≤10 W）常压 Ar/CF₄ 微波等离子体炬的放电化学和能量传递机制。结果表明，添加 CF₄ 导致炬的显著径向收缩和轴向缩短，推测趋肤效应是导致收缩的可能因素之一，而直径随 CF₄ 含量的演变

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的相互竞争的经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文中报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金 (12405296)、盐城市基础研究基金项目 (YCBK2024003)、2025 年江苏省高校“青蓝项目”、江苏省双创计划高层次人才项目 (JSSCBS20230355) 以及盐城工学院校级研究项目 (XJR2023014、XJR2024039、XJR2026034 和 XJR2026038) 的支持。

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