Abstract
蘭牟爾探針(Langmuir probe)又稱為靜電探針(electric probe)測量電漿的方式是將探針直接深入電漿中，加以約正負50V的直流偏壓，並同時記錄探針電壓及電流，繪製成電流-電壓特性曲線(I-V characteristic)，在配合適當的理論分析計算便可得出電子溫度、電漿密度、電漿電位、浮動電位及電子能量分佈函數(EEDF、EEPF)等重要的電漿參數。相較於其他的電漿量測(plasma diagnostic)法，蘭牟爾探發最大的優點就是能夠直接深入電漿內部，探知電漿內部各位置的特性及空間分佈關係。本篇論文的主旨在於發展一套蘭牟爾探針電漿量測系統，系統發展同時注重軟硬體的設計。硬體方面除自製的探針及降壓轉換電路外，尚採用多功能訊號輸出入裝置AT-MIO-16E-10、雙極功率放大器BOP 72-6D、以及探制探針移動的電動平移台與步進馬達。量測及分析的電腦程式則是使用Labview程式設計軟體所撰寫。實驗採用清大工科所電漿實驗室的ICP電漿源作為研究對象，ICP電漿源是以平面螺線型射頻天線傳送13.56MHz的射頻(RF,radiofrequency)功率激發電漿的實驗裝置。在電漿參數的分析上，使用三種不同理論架構，分別是薄電漿鞘理論(Thin sheath theory)、厚電漿鞘理論(Thick sheath theory)、與不受電子能量分佈型態影響的電子能量分佈函數理論(Electron energy distribution function,EEDF)相互比較。另外程式設計上亦提供電漿參數時變分析的功能。實驗結果發現，電子能量分佈在電漿解離率較高時出現Non-Maxwellian分佈的機會會大為增加。電子溫度的求法以EEDF理論的結果較為可靠，而薄電漿鞘理論在Non-Maxwellian分佈的電漿中的結果較值得商榷。電漿密度的計算則以Thicksheath theory的結果較為符合ICP電漿源的條件。電漿電位方面的分析方法EEDF與Thin sheath theory則並無太大的差別，唯EEDF二次微分作法較為精確些。在時發分析的結果方面，因量測時探針表面的變化及對電漿造成擾動，電漿需要時間達到新的平衡狀態，所以電漿電位與浮動電位都有隨時逐漸增加終至穩定的現象。而電子溫度及電漿密度則與時間並無十分明確的關連性。實驗操作及結果顯示，在選擇適當的量測條件及分析理論時，蘭牟爾探針自動化量測系統的確能為電漿源之研發設計提供快速而可靠的量測。