螺旋波等離子體在材料中的應(yīng)用獲獎科研報告

螺旋波等離子體在材料中的應(yīng)用獲獎科研報告

【摘要】等離子體是物質(zhì)存在的又一種基本形態(tài)，產(chǎn)生等離子體的方式也多種多樣。螺旋波等離子體源作為一種高密度源，該等離子體源中螺旋波由射頻天線激勵并沿軸向磁場方向在有限直徑的圓柱形等離子體柱中傳播，具有哨聲波和橫波模式結(jié)構(gòu)，由于其電離效率高、磁場約束低、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，在材料領(lǐng)域都有著非常廣闊的應(yīng)用前景。本文主要介紹了螺旋波等離子體基本特征，包括色散關(guān)系以及天線特征。在材料應(yīng)用方面，針對國內(nèi)外螺旋波等離子體薄膜沉積和刻蝕技術(shù)的研究進(jìn)行了基本綜述。

【關(guān)鍵詞】螺旋波;高密度等離子體;等離子體-材料相互作用;應(yīng)用

1.前言

人們現(xiàn)在知曉的三種物質(zhì)狀態(tài)（固、液、氣）在一定狀況下是可以相互轉(zhuǎn)換的，固體加熱到了一定溫度會變?yōu)橐后w，液體加熱到了一定溫度會變?yōu)闅怏w，如果對氣體采取某種加熱手段，使氣體分子離解和電離[1]，這時物質(zhì)會變成帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成的一團(tuán)均勻的流體，它的正負(fù)電荷總量相等，因此它是近似電中性的，所以就叫等離子體。

現(xiàn)階段有許多產(chǎn)生等離子體的方式，螺旋波等離子體源因?yàn)槠潆婋x效率高、磁場約束低等優(yōu)勢已經(jīng)開始廣受人們關(guān)注。因此，這種優(yōu)勢的高密度源有多種應(yīng)用，如在材料領(lǐng)域中應(yīng)用其進(jìn)行薄膜沉積和刻蝕，在航空航天領(lǐng)域的等離子體推力器等。目前所有的螺旋波等離子體材料處理設(shè)備中，處理腔室都被設(shè)計在源區(qū)的下游。在螺旋波放電中，典型的等離子體電位值非常低，約15-20v，與電子回旋共振類似，但它所需的磁感應(yīng)強(qiáng)度比電子回旋共振所需的875Gs低得多[2]。國內(nèi)的研究人員們對螺旋波等離子體在許多不同的方向開展了研究，隨著螺旋波等離子體逐漸受到重視，在未來會有著非常大的應(yīng)用和潛力價值。

2.螺旋波等離子體的基本特征

螺旋波是在有限直徑、軸向磁化的圓柱形等離子體中傳播的具有哨聲波模式的波，它由射頻驅(qū)動天線激發(fā)，并通過石英管發(fā)射到等離子體中，在那里螺旋波具有橫波模式，并沿著等離子體柱傳播，電磁波的能量則通過碰撞或無碰撞阻尼被電子吸收，促進(jìn)等離子體的產(chǎn)生[2]。其頻率比電子回旋頻率大，比離子回旋頻率小。

2.1.螺旋波的色散關(guān)系

螺旋波模式是由與磁場B0成同一角度傳播的多個低頻哨聲波疊加而成的[2]，其色散關(guān)系式：

a為管徑，對于給定的n0、B0，色散關(guān)系就是一條直線，或者對于給定的ω、k，n/B就是常數(shù)。例如，實(shí)驗(yàn)上如果ω、B0固定，k就由天線長度確定[2]。Ef為電離截面峰值，氬氣為50ev，氫氣為80ev，氧氣為90ev[3]。

2.2.天線

天線是螺旋波等離子體源中不可或缺的一部分，利用天線的特殊結(jié)構(gòu)可以向等離子體發(fā)射螺旋波。天線結(jié)構(gòu)的改變會導(dǎo)致螺旋波相速度的變化，此變化又會對螺旋波等離子體的電場和磁場結(jié)構(gòu)造成影響，最終影響功率沉積和能量耦合，所以對不同種類的天線進(jìn)行研究是非常有意義的?，F(xiàn)階段到目前為止，在國內(nèi)杜丹等人[4]針對天線長度對波吸收和傳播的影響進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明了天線的軸向長度與總輻射能量和輻射電阻有一定關(guān)系。平蘭蘭等人[5]根據(jù)功率沉積和能量耦合對天線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，得出了最佳的結(jié)構(gòu)與尺寸。Ph.Guittienne等人[6]研究了一種新型鳥籠型天線，相比與傳統(tǒng)天線有更好的效果。

2.2.1.Boswell型天線

Boswell型天線是螺旋波等離子體源中最為典型的天線之一，圖2-1為Boswell型天線，該天線能夠在橫向產(chǎn)生射頻磁場，該磁場通過耦合到波磁場的徑向分量來激勵螺旋波[7]。

2.2.2.名古屋型天線

Chen在對螺旋波等離子體了解后，產(chǎn)生了極大的興趣，在天線進(jìn)行了大量的研究，感興趣的讀者可以參考Chen1992年的文章。名古屋型天線的方位角模數(shù)為1，如圖2-2所示，為全波長的名古屋型天線，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中我們通常使用這個天線的一半就足夠了。電流從中心流出，繞著等離子體到達(dá)頂部，這時等離子體會感應(yīng)出與電流方向相反電場Em，在電場Em的作用下正負(fù)電荷發(fā)生分離，電子向天線末端移動，形成一個射頻電場Es，與此同時，底部附近產(chǎn)生了相反的電流和電荷。在軸向上，Em和Es方向相反并基本完全抵消，在徑向上，由于空間電荷的影響，也會產(chǎn)生一個垂直與B0的電場，方向與Em相同，在這兩個電場的疊加下，可以將能量耦合給螺旋波。

除上述兩種典型天線以外，左螺旋型天線以及右螺旋型天線也是比較常規(guī)的天線。在這幾種天線中，半波長的右螺旋型天線效率最高。研究表明天線長度為螺旋波波長一半、或一半波長的奇數(shù)倍時電源能量耦合效率最高，天線長度為螺旋波波長、或一半波長偶數(shù)倍時耦合效率最低[8]。

3.螺旋波等離子體在材料中應(yīng)用

3.1.薄膜沉積

由于螺旋波等離子體高效率、高密度以及磁場約束大等特點(diǎn)，利用螺旋波等離子體進(jìn)行薄膜沉積具有諸多優(yōu)勢?，F(xiàn)階段國內(nèi)外對螺旋波等離子體薄膜沉積的研究也比較重視，開展了較多實(shí)驗(yàn)。

于威等人[9]采用螺旋波等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)，以SiH4作為源反應(yīng)氣體在Si和玻璃襯底上制備了納米Si薄膜。結(jié)果表明，襯底溫度與納米薄膜的質(zhì)量有關(guān)系，在較低的溫度下，顆粒大小保持在4-8mm之間，樣品的表面光滑，晶粒分布均勻，所獲得的納米Si薄膜質(zhì)量高。隨著襯底溫度的提高，薄膜晶化度和晶粒尺寸的增加。G.S.Fu等人[10]研究了ZnO的薄膜生成，結(jié)果表明ZnO薄膜有著很好的c軸擇優(yōu)取向，通過霍爾效應(yīng)的測量的結(jié)果顯示，沉積薄膜的遷移率可達(dá)到5cm2/（v.s）[10]。CSarra-Bournet等人[11]利用在Ar/O2/N2混合氣體，采用螺旋波等離子在以玻璃和硅片為基底上沉積了二氧化鈦薄膜。研究結(jié)果表明，在低溫條件下可以制備出結(jié)晶態(tài)二氧化鈦薄膜，同時利用氮可以控制所需的晶體結(jié)構(gòu)。蘇州大學(xué)於俊等人[12]采用不同比例N2/Ar螺旋波等離子體對Si表面進(jìn)行氮化處理合成SiON。通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度為室溫時，內(nèi)層以Si3N4為主，外層以SiON為主[12]，并且隨著N2含量的增多表面會越來越平整，同時還發(fā)現(xiàn)了樣品表面疏水性能與等離子體的處理有一定關(guān)系，當(dāng)使用等離子體處理后，疏水性能提高。蘇州大學(xué)錢嘉偉[13]使用螺旋波等離子體源在硅襯底表面快速沉積碳納米材料。結(jié)果顯示，隨著磁場的增加，薄膜生長速率隨著等離子體密度變化增加而增加，并且當(dāng)薄膜在2100Gs時，最低摩擦系數(shù)為0.005。當(dāng)磁場變大時，薄膜也更為致密[13]。季佩宇等人[14]通過Ar/CH4螺旋波等離子化學(xué)氣相沉積法制備了垂直石墨烯納米片，通過改變生長時間實(shí)現(xiàn)了對垂直石墨烯納米片參數(shù)的調(diào)制。結(jié)果表明，垂直石墨烯納米片的高度隨時間呈現(xiàn)線性變化，由4min時的1.2μm增加到25min時的6.2μm，平均生長速率為0.26μm/min。隨生長時間的增加，垂直石墨烯納米片尺寸增加，最終導(dǎo)致結(jié)晶度增加。

3.2.刻蝕

在刻蝕上相較于電容耦合等離子體源與電感耦合等離子體源，螺旋波等離子體源有著更加高的電子密度，而高密度的等離子體源可以有效的提高刻蝕速率。Chen在早些年提出[15]以迷你放電為基本單元的大型陣列螺旋波等離子體源，在擴(kuò)展區(qū)中兩邊通過電磁鐵對等離子體進(jìn)行改善徑向約束，從而進(jìn)行刻蝕由于需要很大的電磁鐵，這種裝置不適合大規(guī)模制造，也沒有被半導(dǎo)體工業(yè)采用。但關(guān)于螺旋波等離子體的刻蝕研究沒有就此停止。

H.Kitagawa等人[16]通過NF3螺旋波等離子體對硅進(jìn)行刻蝕研究。結(jié)果表明，氣壓會影響硅的刻蝕速率，氣壓越低，刻蝕速率也越低，并且腔室中的低磁場會使刻蝕變得更加均勻。Jung-HyungKim等人[17]研究了脈沖調(diào)制螺旋波等離子體中的多晶硅刻蝕。研究發(fā)現(xiàn)，在脈沖模式下與自偏壓成正比的抗蝕率高于連續(xù)模式。通過調(diào)節(jié)調(diào)制頻率可提高刻蝕速率和選擇性。P.Chabert等人[18]研究了SF6螺旋波等離子體對4H-SiC的刻蝕速率與氣壓、功率、襯底偏置電壓、基片臺及螺旋波源間距的關(guān)系。在確保良好均勻性的前提下，最高刻蝕速率達(dá)到1.35μm/min在4H-SiC基片上的刻蝕深度為330μm。HyounWooKim等人[19]利用O2/Cl2螺旋波等離子體刻蝕Ru進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，當(dāng)Cl2/（O2+Cl2）氣體流量為20%時，達(dá)到最大刻蝕速率0.00056μm/min。腔室壓力對Ru的刻蝕速率也有很大影響。Ru的刻蝕速率隨著壓力增加而增加。在高壓下，存在較多自由基，產(chǎn)生較多揮發(fā)性的RuO4是提高刻蝕速率的原因。他們針對ICP和HWP兩種不同等離子體源對Ru的刻蝕也做了研究[20]，結(jié)果表明，無論在哪種等離子體源下，Ru的刻蝕速率在Cl2/（O2+Cl2）氣體流量比0.1-0.3范圍內(nèi)達(dá)到最大值，且隨總氣體流量的增加而增加。ICP刻蝕Ru表面為純Ru，而螺旋等離子體刻蝕Ru表面為非晶和RuO2組成。J.Sporre[21]等人采用螺旋波氫等離子體對EUV光學(xué)元件Sn刻蝕做了相關(guān)研究，結(jié)果表明，在2000W的射頻功率下，可以在6分鐘內(nèi)從一個1cm2基板上完全蝕刻超過240mm的錫，蝕刻速率約為38mm/min。

4.結(jié)論以及未來展望

本文主要針對等離子體與材料的相互作用，介紹了一種高密度的螺旋波等離子體源。首先，介紹了螺旋波等離子體的基本特征，討論了螺旋波的色散關(guān)系、天線種類以及原理，這些特征對于理解螺旋波等離子體是非常必要的。而后，對螺旋波等離子體在材料領(lǐng)域中的研究進(jìn)行了綜述。

對于未來螺旋波等離子體還有很長的一段路要走，在未來的發(fā)展需要達(dá)到以下目標(biāo)：

（1）通過射頻功率能高效率的將能量耦合到螺旋波等離子體中，但對于其中的物理機(jī)制，現(xiàn)在還尚不明確。Shamrai提出TG模式吸收機(jī)理，TG模式吸收機(jī)理認(rèn)為螺旋波的等離子體源中有兩種波，即螺旋波和TG波。螺旋波位于等離子體內(nèi)部與表面的TG波耦合，TG波屬準(zhǔn)靜電波在等離子體表面吸收能量[22]。弱螺旋波阻尼和強(qiáng)TG波阻尼致使螺旋波放電產(chǎn)生等離子體的高電離效率，這是目前人們普遍接受的機(jī)制。