不同激发频率下小型感应耦合等离子体特性研究

　　等离子体小型化后往往会产生一些独特的等离子体性质。本文采用朗谬尔探针和高分辨率发射光谱技术对不同激发频率下产生的小型感应耦合等离子体进行了测量,选用的三种频率为13.56MHz ,27.12MHz 和40.68MHz。朗谬尔探针的实验结果表明,随着射频输入功率的增加以及激发频率的上升均会导致等离子体功率吸收的增强,从而导致了离子密度增大和电子温度下降。利用了气体追踪法测量感应放电中的气体温度,可以发现,由于电子诱导加热的作用,气体温度随气压和输入功率的增加而增加,射频频率的提高也有助于等离子体气体温度的上升。

　　低温等离子体在微电子工业中广泛应用于薄膜生长、基片刻蚀以及表面改性等领域,这主要得益于等离子体中的电子具有较广的能量分布和基团具很强的化学活性等特性。低温等离子体在小型化后与常规等离子体相比往往会产生一些新的特点,如具有更高的等离子体密度,相对较低的电子温度等,这些小型等离子体源的发展进一步拓展了低温等离子体在许多领域中的特殊应用,如气体分析仪、离子推进器、微区消毒、等离子体显示、紫外光源等。在这些小型等离子体放电的产生方法中,感应耦合放电方式备受关注。J . Hopwood等将网络匹配系统中的电容和电感通过微加工方法转移到电镀金板上,对平板型感应耦合等离子体源进行小型化,并采用变频系统产生了激发频率为几百MHz 的可便携的感应耦合等离子体源;T. Ichiki等开发了激发频率为100MHz的甚高频小型感应耦合等离子体射流源以产生高温高密度等离子体,从而实现硅基片在亚毫米范围内的高速刻蚀能力;利用微等离子体射流的高温特性,H. Shirai等设计了直径更小的等离子体射流束并喷射到非晶硅表面实现非晶硅的快速晶化;C. S. Corr 和I. A. Biloiu等采用不同频率激发产生感应耦合等离子体作为一种推进器,研究磁化等离子体膨胀引起的超音速离子束的推进机制。

　　对各种方法下产生的等离子体放电特性的研究一直受到人们的关注,这有助于更进一步的了解掌握等离子体的各方面性质及相关应用。小型化后的等离子体具备了更强的等离子体化学活性,在薄膜生长、纳米结构的合成方面展示了很强的应用潜力。本文采用了不同激发频率的射频源在一个直径为8mm 的石英管中产生小型感应耦合等离子体,并采用朗谬尔探针和高分辨发射光谱技术测量了小型感应耦合等离子体的放电特性,为小型感应耦合放电等离子体在薄膜生长或纳米材料的合成方面提供一些有用的实验依据。

1、实验

　　自制的小型感应放电实验装置的结构示意图,如图1(a)所示。该装置的放电激发部分是由外径3mm 镀银空心螺旋天线、匹配器、射频电源组成。螺旋天线一端接地,另一端接入与射频电源相连的匹配器。匹配器中的两个纵、横可调电容(CL、CT)和自绕的感应线圈(Lcoil) 组成一个L型匹配电路,如图1 (b) 所示,通过调节电容量和适当的螺旋天线匝数,可形成一个针对特定频率的谐振回路,以实现最大限度的射频功率传输。镀银空心的水冷天线绕在外径8mm、内径6mm 的石英玻璃管上,玻璃管的一端通入放电气体,另一端通过法兰接入到真空室器壁上。本实验中采用的等离子体激发频率分别为13.56MHz、27.12MHz 和40.68MHz。整个激发装置由接地金属罩屏蔽,减少对外界的电磁辐射与干扰。真空室主要由不锈钢腔体、不锈钢法兰以及其它一些部件构成。真空系统由机械泵、扩散泵组成。本底真空可以抽到10^-3 Pa 。

图1 　(a) 小型感应耦合等离子体实验装置的结构示意图; (b) 小型感应耦合等离子体实验装置的等效电路图, CT 、CL 为可调电容, Lcoil 、和Rcoil为感应线圈等效电感与电阻, LP 、RP 为等离子体的等效电感与电阻

　　用于对等离子体参数进行测量是HIDEN 朗谬尔探针系统(探针由10mm 长、直径为0.15mm 的钨丝组成) ,从装置的另一侧经法兰伸进腔体内,探针系统与玻璃管同在中心轴线上。OES 发射光谱是在螺线管和真空腔体之间的玻璃管外侧进行采集的,本实验采用Acaspec-2048FT-8RM光谱仪进行光谱采集。等离子体的放电气体主要是氩气,石英玻璃管内的气压控制在小于100Pa 的范围内。通过朗谬尔探针测量得到的I - V 特征曲线进行分析计算得到等离子体参数,如电子温度、离子密度等。首先,假设电子分布遵从Maxwellian 分布 ,将I - V 曲线转化为对数形式曲线ln I - Vp ,其离子饱和区和电子饱和区之间的过渡区域近似一条直线,由该直线斜率倒数的相反数得到电子温度Te 。我们作一条符合离子饱和区的直线延伸到电子区域中,用于去除静电流中的离子电流部分。根据OML 理论推导,离子密度ni 与电流、电压之间的关系:

，探针测量得到的I² - V 曲线图中离子饱和区域部分近似直线,利用该直线斜率求出离子密度。在放电气体中通入少量氮气作为示踪气体分子,可以通过发射光谱法测量放电等离子体气体温度等特征参量 。整个激发装置可以沿着石英管轴向移动,因而可以获得等离子体参量随轴向位置的变化情况。实验中, 将测量得到的位于399.84nm的N₂ 光谱线与计算光谱进行逼近拟合得到气体转动温度。

　　限于篇幅，文章中间章节的部分内容省略，详细文章请邮件至作者索要。

3、结论

　　采用朗谬尔探针、OES 发射光谱诊断技术,分别对13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz 等三个频率激发产生的等离子体的参量进行了测量。实验结果表明,由于等离子体功率吸收的增加,激发频率或射频功率的增加导致等离子体的有效电子温度降低,离子密度增加。在小型感应耦合等离子体的轴向方向上,离子密度和电子温度基本维持不变。气体温度随着气压和射频输入功率的增加而上升,主要归结为以电子与中性气体的碰撞诱导产生的热。