牛晨 劉忠偉 楊麗珍 陳強(qiáng)

(北京印刷學(xué)院等離子體物理及材料研究室,北京 102600)

低磁場下駐波對螺旋波等離子體均勻性的影響?

牛晨 劉忠偉 楊麗珍 陳強(qiáng)?

(北京印刷學(xué)院等離子體物理及材料研究室,北京 102600)

(2016年10月16日收到;2016年11月23日收到修改稿)

螺旋波放電具有很高的耦合效率,作為一種高密度等離子體源在材料表面處理、薄膜沉積、離子推進(jìn)器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.不同的波模式下能量耦合的方式直接關(guān)系到源區(qū)的等離子體分布,進(jìn)而影響擴(kuò)散腔中材料的處理和沉積薄膜的均勻性.本文通過電特性(功率-電流)曲線、增強(qiáng)型電荷耦合相機(jī)和磁探針診斷等方式對螺旋波等離子體源中出現(xiàn)的角向不均勻性進(jìn)行研究,認(rèn)為天線下端出現(xiàn)的駐波螺旋波可能是造成這種現(xiàn)象的關(guān)鍵因素.

駐波,均勻性,波診斷

1 引 言

螺旋波是有界的哨聲波,頻率介于離子回旋頻率與電子回旋頻率之間 (ωci＜ω＜ωce)[1].在非磁化等離子體中,電磁波頻率小于等離子體頻率(ω＜ωpe)時,不能在等離子體中傳播,只能在表面加熱電子.然而,當(dāng)存在一個軸向靜磁場(B0)時,通過激發(fā)螺旋波可以傳播進(jìn)入等離子體中,進(jìn)行體加熱等離子體,獲得高的功率耦合效率.大量研究表明,在絕緣邊界處存在波模式的另一個組成分支——Trivelpiece-Gould(TG)波.然而由于短波長、高阻尼的特性,TG波主要在徑向邊界處耦合[2].二者的分界面在無碰撞趨膚深度δ=c/ωpe處[3].

工業(yè)應(yīng)用中需要高密度、均勻等離子體源.螺旋波源區(qū)中的等離子體均勻性主要由不同模式的波場分布決定[4].體吸收的螺旋波與表面吸收的TG波能量沉積區(qū)域在徑向上存在明顯差異,且螺旋波的徑向電場分布隨傳播角度改變也會發(fā)生變化,造成螺旋波等離子體徑向能量沉積區(qū)域的變化.角模量m=+1的名古屋型天線通過CCD(charge coupled device)圖像發(fā)現(xiàn)存在等離子體角向不均勻分布[5],他們認(rèn)為是由于存在比較高的靜電耦合,從而產(chǎn)生了不均勻的高密度等離子體區(qū).在實驗中也發(fā)現(xiàn),采用不同角模式[6](m=+/-1,m=+/-2)的天線,在角向得到不同數(shù)量的軸向高密度等離子體柱的現(xiàn)象.此外,對采用靜電探針[7-10]、磁探針[11-13]、發(fā)射光譜強(qiáng)度[14-15]徑向掃描診斷的實驗中出現(xiàn)的電子密度分布、磁場幅值及發(fā)射強(qiáng)度不對稱性現(xiàn)象目前還缺乏討論與解釋.

本文研究雙馬鞍型天線(m=+/-1)在低磁場下源區(qū)耦合的角向不均勻性問題及其產(chǎn)生的原因.測量的功率-電流曲線表明低磁場下的放電為高效的波模式放電,ICCD(intensified charge coupled device)診斷發(fā)現(xiàn),這種波模式放電存在明顯的角向不均勻表面加熱現(xiàn)象,磁探針的軸向測量發(fā)現(xiàn)在天線下端激發(fā)出了駐波螺旋波.考慮到駐波螺旋波對于強(qiáng)阻尼靜電波的轉(zhuǎn)化耦合,我們認(rèn)為等離子體的角向不均勻功率吸收是由于駐波螺旋波引發(fā)的.

2 實驗及診斷裝置

圖1(a)為實驗裝置簡圖,圖1(b)為天線處最大磁場強(qiáng)度為100 G時靜磁場軸向分布圖.如圖1(a)所示,45 cm長石英源管外為直徑0.5 cm銅管制作的長約16 cm(圖1(b)中Z=20—36 cm)雙馬鞍型天線,天線通過自動匹配器與10 kW射頻電源 (13.56 MHz)連接.20 sccm(1 sccm=1 mL/min)氬氣由放電管上端通入,形成0.3 Pa放電氣壓.放電管下端處(Z=45 cm)與接地不銹鋼擴(kuò)散腔連接,基片臺通過陶瓷支撐架與腔室保持絕緣.抽氣系統(tǒng)由渦旋分子泵和機(jī)械泵組成.電壓(V-probe)、電流探頭 (I-probe)測量位置如圖1(a)所示,ICCD圖像是通過基片臺上放置的45?平面鏡得到的等離子體截面軸向積分圖.磁探針使用串聯(lián)同軸線方法制作[16],探頭直徑為0.4 cm,使用4匝漆包線纏繞而成.通過同軸線與變壓器連接,信號通過示波器顯示出來.得到的數(shù)字信號經(jīng)過傅里葉濾波(10—16 MHz)得到幅值,參考電流探頭信號得到相位[17].

圖1 (a)實驗裝置簡圖;(b)100 G靜磁場(B0)時的軸向分布Fig.1.(a)The schematic diagram of experimental setup;(b)the axial distribution of 100 G static magnetic field(B0).

3 結(jié)果與討論

螺旋波等離子體中的波模式激發(fā)可以由功率-電流特性曲線測量診斷.圖2所示為功率-電流的對數(shù)變化曲線圖.其中圖2(a)為0 G條件下的曲線,放電類似于感性耦合等離子體.開始幾個點(diǎn)處的數(shù)值較擬合曲線偏低是因為發(fā)生低功率時容性放電,耦合效率較低.當(dāng)外加磁場為100 G時,功率-電流曲線發(fā)生如圖2(b)所示跳變,放電在高功率模式下發(fā)生變化.

圖2 不同磁場強(qiáng)度下外加電源功率-電流對數(shù)變化曲線(a)0 G;(b)100 GFig.2.The applied power versus current in the static magnetic field：(a)0 G;(b)100 G.

我們采用ICCD來診斷圖2中放電模式變化引起的等離子體表面功率吸收現(xiàn)象.圖3(a)為放電功率1200 W、外加磁場為0 G時的放電圖像.可以看到在零磁場條件下,角向分布較為均勻,為典型的感性放電模式.而當(dāng)外加磁場100 G、放電功率仍為1200 W時,從圖3(b)中可以看到,等離子體密度出現(xiàn)明顯的角向不均勻性,等離子體加熱主要集中在斜對角的兩個天線處[18].

圖3 (網(wǎng)刊彩色)ICCD獲得的放電截面圖像 (a)放電功率1200 W、外加磁場0 G;(b)放電功率1200 W、外加磁場100 G(圖中白點(diǎn)為天線四個腿位置,圖像曝光時間分別是(a)1 ms;(b)2 ns)Fig.3.(color online)ICCD cross section image：(a)1200 W discharge power,0 G static magnetic field;(b)1200 W discharge power,100 G static magnetic field(the white dots in the image denote the four antenna legs,the exposure times：(a)1 ms;(b)2 ns).

先前采用朗謬爾探針測量等離子體密度時發(fā)現(xiàn),在300 G高磁場時出現(xiàn)等離子體密度的第二次跳變[19],從ICCD圖像可以清楚看到中心“bigblue”加熱現(xiàn)象,認(rèn)為“bigblue”的出現(xiàn)及等離子體中心加熱是由于螺旋波的體吸收,在徑向密度梯度構(gòu)成的勢阱中會形成一個接近天線頻率的徑向局域螺旋波本征模式[20].這與100 G時從圖3(b)觀察到的一次模式轉(zhuǎn)變存在明顯的不同.我們推測這可能和螺旋波傳播方式有關(guān).

為了證實用ICCD發(fā)現(xiàn)的等離子體角向加熱分布不均勻現(xiàn)象可能是由于螺旋波在軸向傳播形成駐波引起的,我們采用磁探針測量方法進(jìn)一步診斷.其中,磁探針通過放電管上端板進(jìn)入等離子體中,測量磁場Bz軸向分布如圖4所示,圖中20 cm和36 cm虛線分別對應(yīng)天線的上、下兩端.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)磁探針測量軸向Bz分布圖(放電功率1200 W,外加磁場100 G,圖中虛線為天線位置)Fig.4.(color online)TheBzdistribution in the axial by B-dot probe(1200 W discharge power,100 G static magnetic field,the inserted dash line is the antenna position).

從圖4中可以看到,磁場幅值在天線區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)兩個大的波峰,相位在天線中間發(fā)生一次翻轉(zhuǎn),這是典型駐波的特征.在天線上端到端板處(Z=5—20 cm)有一個小的波峰,相位迅速線性減小,為行波的特征.可見波是從天線位置往源管上端傳播.

在天線下端,波場強(qiáng)度相對上端較弱,寬度有明顯展寬,相位變化較小,為駐波特點(diǎn).即在天線的上、下兩端處,波具有不同的傳播特性：上端為行波傳輸,下端為駐波傳輸.

對圖2的結(jié)果分析可以根據(jù)公式P=I2×R,對兩邊取對數(shù)后得到：

其中,P為放電功率,I為電流,R為天線和等離子體等效電阻.

當(dāng)發(fā)生模式轉(zhuǎn)變時由于波模式的高耦合效率,等離子體密度在模式轉(zhuǎn)變處會有明顯的跳躍,等離子體有效電阻會增加.圖2(b)顯示等離子體電阻發(fā)生明顯的躍變,有效電阻增大,即證明了放電模式向波模式轉(zhuǎn)變,與圖2(a)0 G條件下容性到感性放電的變化相比,效率明顯增加.

我們進(jìn)一步分析天線處高電勢點(diǎn)和等離子體之間存在的靜電場耦合是否是造成等離子體角向加熱分布不均勻的因素.由圖3(b)的ICCD圖像,我們注意到在天線的左上角處接地為電勢最低點(diǎn),形成一處電子加熱點(diǎn),其他三處也應(yīng)當(dāng)形成類似的加熱點(diǎn).另外,在磁場存在的情況下,電子拉摩半徑很小,天線的四根腿感應(yīng)加熱在等離子體中應(yīng)該出現(xiàn)四個對稱的軸向感應(yīng)電場驅(qū)動電子流,對應(yīng)四個加熱點(diǎn).但是從實驗得到的圖像中發(fā)現(xiàn),電子加熱普遍集中在斜對角(圖3(b)的左上和右下)天線端,而不是出現(xiàn)在全部四個點(diǎn)處.根據(jù)Chen[21]計算的徑向電場分布圖,m=+1波旳電場隨時間和軸向距離繞圓心旋轉(zhuǎn),當(dāng)螺旋波在軸向傳播形成駐波時,徑向電場的分布不再旋轉(zhuǎn),電場分布最強(qiáng)的兩處位于直徑上相對的兩點(diǎn).這可以解釋在圖3(b)的ICCD圖像中斜對角形成的兩個高密度區(qū).

螺旋波在共振錐角內(nèi)與磁場以一定角度傳播[22],而天線處的波長由天線長度決定,平行波數(shù)(k//)不變.螺旋波的色散關(guān)系方程為[23]其中,k為總波數(shù),e為電子電荷量,μ0為真空磁導(dǎo)率,ne為電子密度.

石英源管下端(Z=45 cm)與不銹鋼腔室相連,邊界條件發(fā)生變化,垂直波數(shù) (k⊥)不再固定不變,波數(shù)k隨磁場的減小而增大,傳播角θ=arccos(k///k)變大,而共振錐角α=arccos(ω/ωce)隨磁場的減小而減小.哨聲波在共振錐角處表現(xiàn)為純靜電TG波特性,在平行磁場時表現(xiàn)為純的螺旋波特性[24],所以波的傳播以更加接近共振錐角來傳播.哨聲波中有更多的靜電特性可以解釋圖3(b)的ICCD圖像中所示的放電等離子體表面加熱現(xiàn)象.

螺旋波等離子體中的波模式有很多種,主要為螺旋波和TG波兩部分組成.由于螺旋波與TG波能量沉積在徑向區(qū)域的差別,二者的線性模式轉(zhuǎn)化對等離子體吸收和均勻分布具有很重要的影響.在高磁場下,反共振區(qū)的TG波會被抑制,螺旋波的體加熱可能會成為主要的功率耦合方式,出現(xiàn)了“bigblue”現(xiàn)象.而低磁場下,對于第一縱向螺旋波模式[22](縱向模數(shù)χ=0)來說,其吸收長度一般遠(yuǎn)大于設(shè)備的長度,不會有高耦合效率.TG波作為強(qiáng)阻尼的表面波,是主要的射頻功率耦合通道.而駐波螺旋波對邊界電荷的擾動,對于靜電TG波的線性耦合轉(zhuǎn)換具有重要的作用[3].綜上所述,我們認(rèn)為是駐波螺旋波引發(fā)了角向邊界的非均勻加熱,造成低磁場下等離子體角向分布不均勻的現(xiàn)象.

4 結(jié) 論

螺旋波等離子體在源區(qū)波的角向耦合關(guān)系到等離子體的角向分布均勻性,對于擴(kuò)散性等離子體源具有重要的意義.采用功率-電流曲線我們證明了波模式的高效耦合,對于ICCD圖像中出現(xiàn)的角向等離子體分布不均勻性,磁探針測量結(jié)果表明可能和天線下端形成駐波螺旋波有關(guān),在放電管邊界處轉(zhuǎn)換的表面強(qiáng)阻尼TG波,造成了角向邊界的不均勻加熱.因此,為了得到角向均勻的表面加熱,通過改變天線下端螺旋波的傳播特性,可能會實現(xiàn)對于源區(qū)等離子密度分布的優(yōu)化.

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PACS:52.70.—m DOI:10.7498/aps.66.045201

Effect of standing wave on the uniformity of a low magnetic field helicon plasma?

Niu Chen Liu Zhong-WeiYang Li-Zhen Chen Qiang?
(Lab of plasma physics and materials,Beijing Institute of graphic communication,Beijing 102600,China)

16 October 2016;revised manuscript

23 November 2016)

Helicon wave discharge has higher coupling efficiency than capactively coupled and inductively coupled discharge in low static magnetic field.In the wave sustained mode,a large volume and large area plasma can be produced at lower pressure by using comparable discharge power,and thus it expands the helicon wave plasma applications in material surface modification,thin film deposition,dry etching and thruster usage.However,the application of helicon wave source still faces challenges,such as the controversial power coupling mechanism,operation stability and the plasma distribution uniformity in the experiment.The wave mode existing in bounded helicon wave plasma column generally consists of helicon and Trivelpiece-Gould(TG)components,and their mode transitions and different transverse wave field distribution regions,and the propagating characteristic of the helicon wave are directly related to the power coupling and plasma density distribution in the source region,then affect the uniformity of material processing and film deposition in the diffusion chamber.In this paper,the plasma azimuthal non-uniformity,with using Doubble Saddle antenna,100 G static magnetic field in helicon wave plasma source,is studied by electrical characteristic(power-current)curve,intensified charge coupled device(ICCD)image and magnetic probe measurements.The electrical characteristic curve indicates two discharge stages with different effective resistances.Meanwhile,in the second stage,the higher effective resistance would result in higher coupling efficiency and higher plasma density.But the ICCD image demonstrates the azimuthal non-uniformity of plasma,indicating that the main heating points at the diagonal edge are linked to the stationary transverse electrical field line pattern of azimuthal mode numberm=+1 helicon wave,and the magnetic probe is used to measure the helicon wave magnetic fieldBzcomponent along the quartz source tube axially.The magnetic probe results show that the standing wave appearing below the antenna even though in the upper region of the antenna is characteristic of the traveling wave.Furthermore,at the plasma boundary,the standing wave can be coupled to the TG wave,and not like travelling wave it has no angular rotation of the electric field and may cause the non-uniform coupling between the helicon and TG components.The TG wave then has azimuthal non-uniform electron heating.Therefore,the standing helicon wave below the antenna is the key factor to the plasma non-uniformity problem.Changing the propagating characteristics of the helicon wave further in the plasma column will be of positive significance for optimizing the discharge efficiency of the plasma source and controlling the plasma distribution uniformity,stability and other operations as well.

standing wave,uniformity,wave diagnostic

:52.70.—m

10.7498/aps.66.045201

?國家自然基金(批準(zhǔn)號：11375031,11505013)和北京市自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號：4162024,KZ201510015014,KZ04190116009/001,KM201510015009,KM201510015002)資助的課題.

?通信作者.E-mail：lppmchenqiang@hotmail.com

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.11375031,11505013)and the Beijing Municipal National Science Foundation,China(Grant Nos.4162024,KZ201510015014,KZ04190116009/001,KM201510015009,KM201510015002).

?Corresponding author.E-mail：lppmchenqiang@hotmail.com