不同激發(fā)頻率下小型感應(yīng)耦合等離子體特性研究

　　等離子體小型化后往往會(huì)產(chǎn)生一些獨(dú)特的等離子體性質(zhì)。本文采用朗謬爾探針和高分辨率發(fā)射光譜技術(shù)對(duì)不同激發(fā)頻率下產(chǎn)生的小型感應(yīng)耦合等離子體進(jìn)行了測(cè)量,選用的三種頻率為13.56MHz ,27.12MHz 和40.68MHz。朗謬爾探針的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著射頻輸入功率的增加以及激發(fā)頻率的上升均會(huì)導(dǎo)致等離子體功率吸收的增強(qiáng),從而導(dǎo)致了離子密度增大和電子溫度下降。利用了氣體追蹤法測(cè)量感應(yīng)放電中的氣體溫度,可以發(fā)現(xiàn),由于電子誘導(dǎo)加熱的作用,氣體溫度隨氣壓和輸入功率的增加而增加,射頻頻率的提高也有助于等離子體氣體溫度的上升。

　　低溫等離子體在微電子工業(yè)中廣泛應(yīng)用于薄膜生長(zhǎng)、基片刻蝕以及表面改性等領(lǐng)域,這主要得益于等離子體中的電子具有較廣的能量分布和基團(tuán)具很強(qiáng)的化學(xué)活性等特性。低溫等離子體在小型化后與常規(guī)等離子體相比往往會(huì)產(chǎn)生一些新的特點(diǎn),如具有更高的等離子體密度,相對(duì)較低的電子溫度等,這些小型等離子體源的發(fā)展進(jìn)一步拓展了低溫等離子體在許多領(lǐng)域中的特殊應(yīng)用,如氣體分析儀、離子推進(jìn)器、微區(qū)消毒、等離子體顯示、紫外光源等。在這些小型等離子體放電的產(chǎn)生方法中,感應(yīng)耦合放電方式備受關(guān)注。J . Hopwood等將網(wǎng)絡(luò)匹配系統(tǒng)中的電容和電感通過(guò)微加工方法轉(zhuǎn)移到電鍍金板上,對(duì)平板型感應(yīng)耦合等離子體源進(jìn)行小型化,并采用變頻系統(tǒng)產(chǎn)生了激發(fā)頻率為幾百M(fèi)Hz 的可便攜的感應(yīng)耦合等離子體源;T. Ichiki等開(kāi)發(fā)了激發(fā)頻率為100MHz的甚高頻小型感應(yīng)耦合等離子體射流源以產(chǎn)生高溫高密度等離子體,從而實(shí)現(xiàn)硅基片在亞毫米范圍內(nèi)的高速刻蝕能力;利用微等離子體射流的高溫特性,H. Shirai等設(shè)計(jì)了直徑更小的等離子體射流束并噴射到非晶硅表面實(shí)現(xiàn)非晶硅的快速晶化;C. S. Corr 和I. A. Biloiu等采用不同頻率激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)耦合等離子體作為一種推進(jìn)器,研究磁化等離子體膨脹引起的超音速離子束的推進(jìn)機(jī)制。

　　對(duì)各種方法下產(chǎn)生的等離子體放電特性的研究一直受到人們的關(guān)注,這有助于更進(jìn)一步的了解掌握等離子體的各方面性質(zhì)及相關(guān)應(yīng)用。小型化后的等離子體具備了更強(qiáng)的等離子體化學(xué)活性,在薄膜生長(zhǎng)、納米結(jié)構(gòu)的合成方面展示了很強(qiáng)的應(yīng)用潛力。本文采用了不同激發(fā)頻率的射頻源在一個(gè)直徑為8mm 的石英管中產(chǎn)生小型感應(yīng)耦合等離子體,并采用朗謬爾探針和高分辨發(fā)射光譜技術(shù)測(cè)量了小型感應(yīng)耦合等離子體的放電特性,為小型感應(yīng)耦合放電等離子體在薄膜生長(zhǎng)或納米材料的合成方面提供一些有用的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1、實(shí)驗(yàn)

　　自制的小型感應(yīng)放電實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖,如圖1(a)所示。該裝置的放電激發(fā)部分是由外徑3mm 鍍銀空心螺旋天線、匹配器、射頻電源組成。螺旋天線一端接地,另一端接入與射頻電源相連的匹配器。匹配器中的兩個(gè)縱、橫可調(diào)電容(CL、CT)和自繞的感應(yīng)線圈(Lcoil) 組成一個(gè)L型匹配電路,如圖1 (b) 所示,通過(guò)調(diào)節(jié)電容量和適當(dāng)?shù)穆菪�天線匝數(shù),可形成一個(gè)針對(duì)特定頻率的諧振回路,以實(shí)現(xiàn)最大限度的射頻功率傳輸。鍍銀空心的水冷天線繞在外徑8mm、內(nèi)徑6mm 的石英玻璃管上,玻璃管的一端通入放電氣體,另一端通過(guò)法蘭接入到真空室器壁上。本實(shí)驗(yàn)中采用的等離子體激發(fā)頻率分別為13.56MHz、27.12MHz 和40.68MHz。整個(gè)激發(fā)裝置由接地金屬罩屏蔽,減少對(duì)外界的電磁輻射與干擾。真空室主要由不銹鋼腔體、不銹鋼法蘭以及其它一些部件構(gòu)成。真空系統(tǒng)由機(jī)械泵、擴(kuò)散泵組成。本底真空可以抽到10^-3 Pa 。

圖1 　(a) 小型感應(yīng)耦合等離子體實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖; (b) 小型感應(yīng)耦合等離子體實(shí)驗(yàn)裝置的等效電路圖, CT 、CL 為可調(diào)電容, Lcoil 、和Rcoil為感應(yīng)線圈等效電感與電阻, LP 、RP 為等離子體的等效電感與電阻

　　用于對(duì)等離子體參數(shù)進(jìn)行測(cè)量是HIDEN 朗謬爾探針系統(tǒng)(探針由10mm 長(zhǎng)、直徑為0.15mm 的鎢絲組成) ,從裝置的另一側(cè)經(jīng)法蘭伸進(jìn)腔體內(nèi),探針系統(tǒng)與玻璃管同在中心軸線上。OES 發(fā)射光譜是在螺線管和真空腔體之間的玻璃管外側(cè)進(jìn)行采集的,本實(shí)驗(yàn)采用Acaspec-2048FT-8RM光譜儀進(jìn)行光譜采集。等離子體的放電氣體主要是氬氣,石英玻璃管內(nèi)的氣壓控制在小于100Pa 的范圍內(nèi)。通過(guò)朗謬爾探針測(cè)量得到的I - V 特征曲線進(jìn)行分析計(jì)算得到等離子體參數(shù),如電子溫度、離子密度等。首先,假設(shè)電子分布遵從Maxwellian 分布 ,將I - V 曲線轉(zhuǎn)化為對(duì)數(shù)形式曲線ln I - Vp ,其離子飽和區(qū)和電子飽和區(qū)之間的過(guò)渡區(qū)域近似一條直線,由該直線斜率倒數(shù)的相反數(shù)得到電子溫度Te 。我們作一條符合離子飽和區(qū)的直線延伸到電子區(qū)域中,用于去除靜電流中的離子電流部分。根據(jù)OML 理論推導(dǎo),離子密度ni 與電流、電壓之間的關(guān)系:

，探針測(cè)量得到的I² - V 曲線圖中離子飽和區(qū)域部分近似直線,利用該直線斜率求出離子密度。在放電氣體中通入少量氮?dú)庾鳛槭聚櫄怏w分子,可以通過(guò)發(fā)射光譜法測(cè)量放電等離子體氣體溫度等特征參量 。整個(gè)激發(fā)裝置可以沿著石英管軸向移動(dòng),因而可以獲得等離子體參量隨軸向位置的變化情況。實(shí)驗(yàn)中, 將測(cè)量得到的位于399.84nm的N₂ 光譜線與計(jì)算光譜進(jìn)行逼近擬合得到氣體轉(zhuǎn)動(dòng)溫度。

　　限于篇幅，文章中間章節(jié)的部分內(nèi)容省略，詳細(xì)文章請(qǐng)郵件至作者索要。

3、結(jié)論

　　采用朗謬爾探針、OES 發(fā)射光譜診斷技術(shù),分別對(duì)13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz 等三個(gè)頻率激發(fā)產(chǎn)生的等離子體的參量進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,由于等離子體功率吸收的增加,激發(fā)頻率或射頻功率的增加導(dǎo)致等離子體的有效電子溫度降低,離子密度增加。在小型感應(yīng)耦合等離子體的軸向方向上,離子密度和電子溫度基本維持不變。氣體溫度隨著氣壓和射頻輸入功率的增加而上升,主要?dú)w結(jié)為以電子與中性氣體的碰撞誘導(dǎo)產(chǎn)生的熱。