沈武林,馬志斌,譚必松

(武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,武漢工程大學(xué)湖北省等離子體化學(xué)與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074)

0 引 言

微波電子回旋共振(ECR)等離子體以其高密度、低溫、能量轉(zhuǎn)換率高、無電極等優(yōu)點(diǎn)已成功地應(yīng)用于材料表面處理、刻蝕、薄膜制備等微電子工業(yè)中[1-3].ECR等離子體中電子參數(shù)對(duì)上述應(yīng)用有直接的影響,因此研究ECR等離子體中的電子參數(shù)對(duì)其應(yīng)用研究具有十分重要的意義.等離子體參數(shù)的測(cè)量方法有很多種,Langmuir探針是一種既簡(jiǎn)單方便,準(zhǔn)確性又較高的方法[4].根據(jù)探針的測(cè)量,可以實(shí)時(shí)地反饋調(diào)節(jié)等離子體參數(shù),以達(dá)到所要求的等離子體.

磁場(chǎng)是微波ECR等離子體產(chǎn)生的基本物理因素之一,不同的磁場(chǎng)位形將直接影響ECR等離子體的參數(shù)和性能,因此研究磁場(chǎng)位形對(duì)微波ECR等離子體參數(shù)的影響對(duì)其可控利用有重要作用.目前微波ECR等離子體的研究中,磁場(chǎng)位形較多都利用發(fā)散場(chǎng)[5-6],結(jié)合磁鏡場(chǎng)來研究等離子體參數(shù)的工作還比較少.本文分別在發(fā)散場(chǎng)和磁鏡場(chǎng)條件下,測(cè)量了微波ECR等離子體電子參數(shù),研究了兩種磁場(chǎng)位形對(duì)微波ECR等離子體電子參數(shù)的影響,并分析了其影響機(jī)制.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為自行研制的微波ECR等離子體裝置示意圖.微波源產(chǎn)生2.45 GHz微波,由矩形波導(dǎo)傳輸,經(jīng)天線耦合到圓波導(dǎo),并通過石英窗口饋入真空室內(nèi).磁場(chǎng)系統(tǒng)由四組沿軸向可調(diào)的線圈和三臺(tái)直流電源組成,為ECR等離子體提供所需的磁場(chǎng),磁場(chǎng)強(qiáng)度由高斯計(jì)測(cè)量,本實(shí)驗(yàn)所使用的兩種磁場(chǎng)位形如圖2所示.實(shí)驗(yàn)所使用的工作氣體為氧氣,經(jīng)過質(zhì)量流量控制器和通氣孔導(dǎo)入真空室.真空系統(tǒng)由機(jī)械泵和渦輪分子泵組成,實(shí)驗(yàn)本底真空為3×10-3Pa.

圖2 發(fā)散場(chǎng)和磁鏡場(chǎng)的中心軸向位形圖

實(shí)驗(yàn)采用Langmuir雙探針測(cè)量等離子體電子參數(shù),雙探針?biāo)玫逆u絲直徑為0.5 mm,裸露的探頭長(zhǎng)度為5.3 mm,探針沿腔體徑向的深度可以調(diào)節(jié),最大調(diào)節(jié)范圍為4 cm.測(cè)量時(shí)將雙探針懸浮于等離子體中,工作電壓加在兩探針之間,測(cè)量工作電流Ip隨兩探針之間電壓Vp的變化,就得到雙探針的伏安特性曲線,其測(cè)量原理如圖3所示.通過伏安特性曲線得到dU/dI和Ii0的值,當(dāng)兩探針完全相同時(shí),Ii01=Ii02=Ii0,代入(1)式可求得電子溫度Te,然后將電子溫度值與飽和電流值代入(2)式可求得電子密度ne[7].

(1)

(2)

式中:Ii0為離子飽和電流,mi為離子質(zhì)量,Si為探針表面積.

圖3 雙探針測(cè)量原理圖

本實(shí)驗(yàn)采用型號(hào)為PAM-M2/100G的靜電探針自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)與雙探針相結(jié)合來測(cè)量ECR等離子體的電子參數(shù),它能在10 s內(nèi)完成一次掃描,并且提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性.

2 結(jié)果分析與討論

2.1 電子參數(shù)的空間分布

實(shí)驗(yàn)利用雙探針分別在徑向R=0,1,2,3,4 cm和軸向Z=15.3,17,18,19.8,21 cm(軸向?qū)⑹⒋翱谔幵O(shè)為Z=0,微波沿Z軸正向傳播)處測(cè)量了兩種磁場(chǎng)位形中ECR微波等離子體的電子溫度和密度,測(cè)量時(shí)微波功率為800 W,工作氣壓0.05 Pa,氧氣流量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下5.0 cm3/min,將測(cè)量的結(jié)果擬合為三維曲線,如圖4、5所示.

圖4 ECR微波等離子體的電子溫度空間分布圖:(a)發(fā)散場(chǎng);(b)磁鏡場(chǎng)

圖4(a)、(b)分別為發(fā)散場(chǎng)和磁鏡場(chǎng)位形下等離子體的電子溫度空間分布圖,兩者共振面均位于Z=15.3 cm處.從電子溫度的空間變化趨勢(shì)看,發(fā)散場(chǎng)和磁鏡場(chǎng)中的電子溫度在共振面過后沿微波傳輸方向均緩慢降低,如軸線上(R=0 cm),沿軸向15.3 cm到21 cm發(fā)散場(chǎng)中電子溫度從9.23 eV降到7.94 eV,磁鏡場(chǎng)中電子溫度從7.56 eV降到5.19 eV.在兩種磁場(chǎng)位形中,電子溫度沿微波傳輸方向不斷減小有兩方面的原因:一方面是ECR等離子體中,微波能量主要在共振面處被等離子體吸收,在共振面處帶電粒子有最高的能量;另一方面是由于等離子體沿著軸向擴(kuò)散時(shí),電子與中性粒子的碰撞使電子能量逐漸損失所導(dǎo)致.兩種磁場(chǎng)位形中,電子溫度沿徑向的變化規(guī)律明顯不同.磁鏡場(chǎng)中電子溫度隨徑向半徑R的增大單調(diào)減小,而發(fā)散場(chǎng)中電子溫度在軸心和腔體邊緣較大,在過渡的中間區(qū)域較小,電子溫度在靠近腔壁處反常升高.發(fā)散場(chǎng)中電子溫度在腔壁附近增加,主要是由于發(fā)散磁場(chǎng)位形下,磁場(chǎng)對(duì)等離子體的約束較弱,邊緣處等離子體中的電子撞擊腔壁而損失,使得腔壁附近形成較強(qiáng)的等離子體鞘層,該鞘層作用于等離子體內(nèi)部的電子,導(dǎo)致腔壁附近電子溫度較高.在磁鏡場(chǎng)中,電子受到磁場(chǎng)的約束作用較強(qiáng),磁鏡效應(yīng)使大部分電子被束縛在R較小區(qū)域內(nèi)[8],這樣就使碰撞腔壁而損失的電子少,等離子體鞘層作用影響較小,因此腔壁附近電子溫度較低.

從電子溫度值的分布上看,在共振面的軸心處,兩種磁場(chǎng)位形下的電子溫度相近,是由于該處的電子溫度主要決定于微波功率和工作氣壓.而在R較大的區(qū)域,發(fā)散場(chǎng)中的電子溫度明顯大于磁鏡場(chǎng),這是因?yàn)榇喷R場(chǎng)中電子受磁鏡的束縛,集中在R較小的區(qū)域,大部分高能電子由于非彈性碰撞損失能量而變成低能電子,因此電子溫度相對(duì)較低.

圖5 微波ECR等離子體的電子密度空間分布圖:(a)發(fā)散場(chǎng);(b)磁鏡場(chǎng)

圖5(a)、(b)分別為發(fā)散場(chǎng)和磁鏡場(chǎng)位形下等離子體的電子密度空間分布圖.從圖中可以看到,電子密度在兩種磁場(chǎng)位形中隨徑向和軸向距離的增大均呈單調(diào)下降的趨勢(shì),如在共振面(Z=15.3 cm),發(fā)散場(chǎng)中電子密度從R=0 cm的4.45×1010cm-3下降到R=4 cm的1.02×1010cm-3,磁鏡場(chǎng)中電子密度由R=0 cm處的9.77×1010cm-3下降到R=4 cm處的2.96×1010cm-3.不同的是,發(fā)散場(chǎng)中電子密度隨徑向半徑R的變化較小,特別是當(dāng)Z=21 cm時(shí),電子密度幾乎不隨R的變化而改變,其值都在0.9×1010cm-3左右,而磁鏡場(chǎng)中電子密度在共振面中心明顯較大,沿徑向和軸向距離的增加均有快速下降.

發(fā)散場(chǎng)中電子密度的分布,在共振面附近是由粒子碰撞和梯度磁場(chǎng)共同作用所導(dǎo)致的,隨著軸向的延伸,梯度磁場(chǎng)的作用逐漸減弱,主要由粒子碰撞影響其分布,電子與中性氣體分子或離子的碰撞在傳遞能量的同時(shí),使電子密度隨徑向變化很小[9].在磁鏡場(chǎng)中磁鏡作用使大量的電子被約束在共振區(qū),導(dǎo)致電子密度隨徑向和軸向距離的變化較大.另外,從圖中各軸向位置還可以看到,在R較小的區(qū)域電子密度在磁鏡場(chǎng)大于其在發(fā)散場(chǎng),而在腔體邊緣則小于其在發(fā)散場(chǎng),這也是磁鏡效應(yīng)所導(dǎo)致的結(jié)果.

2.2 氣壓對(duì)電子參數(shù)的影響

實(shí)驗(yàn)在同一位置(Z=15.3 cm,R=0 cm)相同磁場(chǎng)強(qiáng)度(B=0.087 5 T)下,利用雙探針測(cè)量了兩種磁場(chǎng)位形中不同氣壓下(分別為0.05,0.1,0.2,0.5,0.8 Pa)的電子參數(shù),結(jié)果如圖6所示.

圖6 在兩種磁場(chǎng)位形中氣壓對(duì)電子參數(shù)的影響:(a)電子溫度;(b)電子密度

測(cè)量時(shí)微波功率為800 W,氧氣流量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下5.0 cm3/min.圖中電子參數(shù)隨氣壓的變化規(guī)律在兩種磁場(chǎng)位形中基本相同,電子溫度均隨氣壓的增加而減小(發(fā)散場(chǎng)中電子溫度從0.05 Pa的9.23 eV降低到0.8 Pa的5.13 eV,磁鏡場(chǎng)中電子溫度從0.05 Pa的7.56 eV降低到0.8 Pa的5.53 eV),電子密度隨氣壓的增加先增大后減小(兩種磁場(chǎng)位形中,電子密度均在0.2 Pa左右達(dá)到最大),這是因?yàn)闅鈮涸黾?中性氣體密度增大,電子與中性粒子的電離碰撞頻率增加,電子密度增大,同時(shí)由于碰撞頻率增加導(dǎo)致電子溫度下降;而隨著氣壓的繼續(xù)增加,電子平均自由程逐漸變短,電子在兩次碰撞之間吸收的微波能量減少,電子溫度降低,導(dǎo)致氣體電離率下降,造成等離子體密度隨之下降[10].另外,發(fā)散場(chǎng)中氣壓對(duì)電子溫度的影響比磁鏡場(chǎng)大.這是因?yàn)榘l(fā)散場(chǎng)中電子的擴(kuò)散與碰撞主要受氣壓影響,而磁鏡場(chǎng)中電子的擴(kuò)散與碰撞不僅受氣壓影響,而且受磁鏡場(chǎng)的影響,因此當(dāng)氣壓變化時(shí),磁鏡場(chǎng)中的電子溫度受氣壓的影響也相對(duì)較小.

3 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)測(cè)量分析了兩種磁場(chǎng)位形中微波ECR等離子體的電子參數(shù),結(jié)果表明:

a. 發(fā)散場(chǎng)中電子溫度在軸心和腔體邊緣較大,在過渡的中間區(qū)域較小,而磁鏡場(chǎng)中電子溫度隨徑向半徑R的增大單調(diào)減小;在共振面的軸心處,兩種磁場(chǎng)位形下的電子溫度相近,而在R較大的區(qū)域,發(fā)散場(chǎng)中的電子溫度明顯大于其在磁鏡場(chǎng).

b. 電子密度在兩種磁場(chǎng)位形中隨徑向和軸向距離的增大均呈單調(diào)下降的趨勢(shì),磁鏡場(chǎng)中的下降幅度大于發(fā)散場(chǎng);在R較小的區(qū)域電子密度在磁鏡場(chǎng)大于其在發(fā)散場(chǎng),而在腔體邊緣則小于其在發(fā)散場(chǎng).

c. 在共振面附近,發(fā)散場(chǎng)中氣壓對(duì)電子溫度的影響比在磁鏡場(chǎng)中大,而氣壓對(duì)電子密度的影響在兩種磁場(chǎng)位形中基本相似.

本文主要討論了兩種磁場(chǎng)位形對(duì)微波ECR等離子體電子參數(shù)的影響,對(duì)于其他磁場(chǎng)位形以及在這些位形中離子參數(shù)的分布情況還需要進(jìn)一步研究.

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