朗缪尔单探针等离子体测试仪校准规范(T-BEA 43002—2023).pdf

朗缪尔单探针等离子体测试仪校准规范 Calibration Specification for Single Langmuir Probe Plasma Instrument 20230419 实施 北京电子仪器行业协会 发 布 公开 中国团体标准 T/EBA.430022023 20230220 发布T/EBA.430022023 I 前 言 本标准由北京东方计量测试研究所提出。本标准由北京电子仪器行业协会归口。本标准起草单位：北京东方计量测试研究所。本标准主要起草人：柴昊、邓星亮、刘民、张书锋、卢佳林。T/EBA.430022023 3 朗缪尔单探针等离子体测试仪校准规范 1 范围 1.1 主题内容 本规范规定了朗缪尔单探针等离子体测试仪的计量特性、校准条件、校准项目、校准方法、校准结果的处理。1.2 适用范围 本规范适用于电子密度范围 1012m-31018m-3，电子温度范围 1eV10eV 的低温等离子体朗缪尔单探针等离子体测试仪（下文简称等离子体测试仪）的校准。2 规范性引用文件 GJB 73632011 空间等离子体环境效应动态试验方法 凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本规范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用本规范。3 术语定义 GJB 73632011 界定的及以下术语和定义适用于本规范。3.1 等离子体 plasma 等离子体由大量带电粒子（正离子、负电子）和中性粒子所组成，常被视为物质的第四态。在宏观尺度上（大于德拜长度）正离子和负电子的密度相等，呈准中性。3.2 等离子体发生器 plasma generator 通过能量转变方式将物质的状态转变为等离子体态的设备。3.3 等离子体电子密度 plasma electron density 等离子体内部单位体积内可自由运动的电子数，单位为 m-3。3.4 等离子体电子温度 plasma electron temperature 等离子体内电子达到局部热平衡时的平均动能，单位为 eV（1eV 的平均动能换算温度为 11600K）。4 概述 4.1 用途 感应耦合等离子体发生器是一种通过随时间变化的磁场电磁感应产生电流作为能量来源的等离子体源，已被广泛应用于刻蚀加工、电推进等领域。4.2 原理及结构 等离子体测试仪是一种接触式等离子体测量设备，主要用于等离子体电子温度和电子密度的测量，由探针、扫描电源、采集和调理系统组成。探针的探头通常采用耐高温、耐溅射的导电材料，通常选用钨作为探头材料，测量时将其置于等离子体环境中。等离子体测试仪的扫描电源产生周期性的扫描电压，并将其加载到探针上。当扫描电压从负变为正（或从正变为负）的过程中，通过采集和调理系统测量探针对等离子体容器壁（接地）的电压和探针与等离子体组成的回路电流，即可得到一条关于被测等离子体的伏安特性曲线。根据经典朗缪尔探针理论，通过伏安特性曲线求解即可计算等离子体电子温度（Te）和电子密度（Ne）参数。等离子体测试仪的工作原理如图 1 所示。T/EBA.430022023 4 VA等离子体腔壁探针扫描电压源采集和调理系统0-5510152025303540455005101520253035-5-10-15-20-25探针电压（V）探针电流（mA）-10 a)等离子体测试仪测量原理图 b)等离子体测试仪典型伏安特性曲线 图 1 等离子体测试仪工作原理 5 计量特性 5.1 电子密度示值误差 电子密度测量范围：1012m-31018m-3；最大允许误差：（30%60%）。5.2 电子温度示值误差 电子温度测量范围：1eV10eV；最大允许误差：（30%60%）。5.3 扫描电源输出电压设置值误差 测量范围：-150V150V；最大允许误差：（5%设定值+0.05V）。5.4 采集和调理系统电压示值误差 测量范围：-150V150V；最大允许误差：（5%显示值+0.05V）。5.5 采集和调理系统电流示值误差 测量范围：0.01mA300mA；最大允许误差：（5%显示值+0.005mA）。6 校准条件 6.1 环境条件 a)环境温度：205；b)相对湿度：80%；c)供电电源：(220 22)V，(50 1)Hz；d)其他：周围无影响正常校准的电磁干扰和机械振动。6.2 校准用设备T/EBA.430022023 5 校准用设备应经过计量技术机构检定或校准，满足校准使用要求，并在有效期内。a)等离子体发生器标准装置（包含真空获得系统、真空测量系统、标准等离子体发生器和标准朗缪尔探针测试系统）1）放电气体种类：Ar、Ne、Xe 等；2）放电气压范围：110-4Pa10Pa；3）等离子体发生器放电功率：（01250）W；4）电子密度测量范围：1012m-31018m-3；5）电子密度最大允许误差：7.5%；6）电子温度测量范围：1eV10eV；7）电子温度最大允许误差：7.5%。b)数字示波器（含 10:1 探头）1）带宽：1MHz；2）交流电压幅度测量最大允许误差：2%；3）输入电阻：1M。c)直流数字电压表 1）测量范围：-150V150V；2）直流电压测量最大允许误差：（1%读数+0.01V）。d)直流数字电流表 1）测量范围：0.01mA300mA；2）直流电流测量最大允许误差：（1%读数+0.001mA）。e)直流电阻箱 1）直流电阻范围：0.01100k；2）最大允许误差：（0.1%设置值+0.005）。7 校准项目和校准方法 7.1 校准项目 a)电子密度示值误差；b)电子温度示值误差；c)扫描电源输出电压设置值误差；d)采集和调理系统电压示值误差；e)采集和调理系统电流示值误差。7.2 校准方法 7.2.1 校准前检查 7.2.1.1 外观及附件检查 检查被校等离子体测试仪外观应无损伤，各种接口符合规定要求，应标有名称、型号、制造厂及出厂编号。7.2.1.2 工作正常性检查 T/EBA.430022023 6 流测量模块测量并记录探针与等离子体壁面的电压和探针回路的电流值。7.2.2 电子密度示值误差校准 7.2.2.1 校准点选取 等离子体密度示值误差校准点至少包含被校准等离子体测试仪的等离子体密度的上限、下限和中间点。7.2.2.2 校准方法 通过标准朗缪尔探针测量系统与被校等离子体测试仪在相同等离子体环境下开展等离子体电子密度的比较法校准，校准过程如下：a)按图 2 所示连接校准系统，根据被校准等离子体测量仪探针尖尺寸，选择相同尺寸的探针尖安装于标准探针上，保证导体接触表面积相同，将标准探针和被校等离子体测试仪对称放置在由标准等离子体发生器产生的均匀等离子体区，连接探针的测试电路系统；标准探针标准探针真空测量系统真空获得系统均匀等离子均匀等离子体区体区测试电路系统被校探针被校探针被校等离子体测试仪机箱标准等离子体发生器 图 2 等离子体密度校准的连接示意图 b)关闭真空舱门，待真空舱内气压处于 110-4Pa10Pa 范围内时，开启标准等离子体发生器；c)设置标准等离子体发生器参数（放电气体介质、进气流量、放电功率），得到合适的校准点电子密度参数，等待等离子体发生器发射功率参数稳定；d)标准朗缪尔探针测试系统和被校等离子体测试仪探针开机并预热 10min，同时施加-100V 偏压或 100V 偏压进行探针清洗；e)标准朗缪尔探针测试系统和被校等离子体测试仪设置相同的扫描电压幅值和频率、相同（或档位近似）的采样电阻阻值，采样电阻选择时应远低于（10 倍）鞘层电阻的特征值（电子饱和电流除以电子温度），使显示的伏安特性曲线出现明显拐点。标准探针和被校准等离子体测试仪同时开始测量，重复测量 10 次，计算 10 次测量平均值，并按公式（1）计算其示值误差：00100%nnnn=（1）式中：n被校准点的示值误差，%；n 各测试点被校等离子体测试仪电子密度示值平均值，m-3；T/EBA.430022023 7 0n各测试点标准朗缪尔探针测量系统电子密度示值平均值，m-3；f)将测量数据和计算结果记录于附表 A.2 中。7.2.3 电子温度示值误差校准 7.2.3.1 校准点选取 等离子体电子温度示值误差校准点至少包含被校准等离子体测试仪的电子温度的上限、下限和中间点。7.2.3.2 校准方法 通过标准朗缪尔探针与被校准朗缪尔探针等离子体测量仪在相同等离子体环境下开展等离子体电子温度的比较法校准，校准过程如下：a)校准设备连接图如上图 2 所示，校准过程与 7.2.2.2 节电子密度示值误差校准方法一致，并按公式（2）计算其示值误差：0t0100%ttt=（2）式中：t被校准点的示值误差；t 各测试点被校等离子体测试仪电子温度示值平均值，eV；0t各测试点标准朗缪尔探针测量系统电子温度示值，eV。将测量数据和计算结果记录于附表 A.3 中。7.2.4 扫描电源输出电压设置值误差 7.2.4.1 校准点选取 扫描电源输出电压幅值设置值校准点的选取至少包含最大值 Vmax、0.9Vmax、0.6Vmax、0.3Vmax。7.2.4.2 校准方法 运行并设置朗缪尔探针等离子体测试仪的扫描电源输出一定幅值和频率范围内的扫描电压，通过数字示波器测量波形完成对扫描电源输出电压设置值的校准。a)按照图 3 所示连接被校等离子体测试仪和数字示波器；被校等离子体测试仪机箱通讯接口探针接口上位机数字示波器 图 3 测试仪扫描电源校准连接示意图 b)运行被校等离子体测试仪，设置扫描电源频率为最高频率的 10%，按校准点输出合适的扫描电源幅值；c)通过示波器光标标出扫描电源输出波形的上峰 Vh、下峰 Vl，其差值 Vpp作为扫描电源的幅值；d)重复测量 3 次，记录数字示波器的扫描电压幅值数据于表 A.4 中，并按公式（3）计算其设置值相对误差：T/EBA.430022023 8 0u100%uuu=（3）式中：u被校准点的设置值相对误差，%；0u各测试点被校等离子体测试仪扫描电源输出电压幅值的设置值，V；u 各测试点数字示波器电压幅值测量值的平均值，V。7.2.5 采集和调理系统电压示值误差 7.2.5.1 校准点选取 被校等离子体测试仪输出直流电压至少包括满量程的 30%、60%、90%。7.2.5.2 校准方法 a)将被校等离子体测试仪调节至最低的采样电阻档位，按照图 4 所示连接被校等离子体测试仪、数字电压表；探针探针尖上位机直流数字电压表被校等离子体测试仪机箱 图 4 采集和调理系统电压示值误差校准连接示意图 b)选取合适的校准点，设置被校等离子体测试仪输出相应的直流电压，重复测量 3 次，分别记录直流数字电压表电压示值和被校等离子体测试仪采集和调理系统软件界面显示的电压值于表 A.5 中；c)按公式（4）计算其示值误差：00100%VVVV=（4）式中：V被校准点的示值误差，%；V 各测试点被校等离子体测试仪采集和调理系统电压示值的平均值，V；0V各测试点直流数字电压表示值的平均值，V。7.2.6 采集和调理系统电流示值误差 7.2.6.1 校准点选取 至少包含被校等离子体测试仪采集和调理系统电流满量程的 30%、60%、90%。7.2.6.2 校准方法 a)将被校等离子体测试仪调节至最低的采样电阻档位，按照图 5 所示连接被校等离子体测试仪、直流电阻箱、数字电流表；T/EBA.430022023 9 探针探针尖上位机被校等离子体测试仪机箱直流电阻箱直流数字电流表 图 5 采集和调理系统电流示值误差校准连接示意图 b)连接电阻箱的初始阻值为 1k，设置被校等离子体测试仪输出一定范围的直流电压，重复测量3 次，分别记录直流数字电流表电流示值和被校等离子体测试仪采集和调理系统软件界面显示的电流值于表 A.6 中；c)切换被校等离子体测试仪软件内部采样电阻档位（如果无档位调节功能，则调节直流电阻箱阻值），重复进行上述 b)操作；d)并按公式（4）计算其示值误差：00100%IIII=（4）式中：I被校准点的示值误差，%；I 各测试点被校等离子体测试仪采集和调理系统电压示值的平均值，mA；0I各测试点直流数字电流表示值的平均值，mA。8 校准结果的处理 8.1 校准结果的处理 校准结束后应出具校准证书。校准证书应准确、客观地报告校准结果，校准结果以校准数据、校准曲线等形式给出。校准证书应包括委托方要求的、说明校准结果所必需的和所用方法要求的全部信息。9 复校时间间隔 等离子体测试仪的复校时间间隔一般不超过 12 个月。由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所决定的，因此，送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间。