實(shí)驗(yàn)一-ECR等離子體參數(shù)的測量

ECR微波等離子體離子參數(shù)的測量一實(shí)驗(yàn)背景電子回旋共振(ElectronCyclotronResonance)微波等離子技術(shù)是本世紀(jì)六十年代中期開始的，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在已日趨成熟。微波ECR等離子體與傳統(tǒng)等離子體相比，具有高密度、高能量轉(zhuǎn)換率、低工作氣壓、無電極放電、高各向異性以及低離子能量等優(yōu)點(diǎn)，最初被應(yīng)用于核聚變的開發(fā)研究，后來又在托卡馬克、串級(jí)磁鏡等聚變裝置中進(jìn)行等離子體加熱研究。近年來，ECR等離子體被廣泛運(yùn)用于微電子技術(shù)，材料加工，低溫表面處理工藝中。了解并優(yōu)化ECR等離子體特性參數(shù)是ECR等離子體應(yīng)用的關(guān)鍵。在等離子體診斷中，Langmuir探針是最早的等離子體診斷手段之一；是低氣壓冷等離子體應(yīng)用最廣泛的等離子體診斷工具。其突出優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，能夠直接測量等離子體的局部V-I曲線，且根據(jù)測得的伏安曲線可導(dǎo)出等離子體密度、電子溫度和空間電位等參數(shù)，而光譜測量等技術(shù)，只能測得等離子體的平均參數(shù)。離子溫度是衡量ECR等離子體中最重要的參數(shù)之一，本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用離子靈敏探針(IonSensitiveProbe)對其氧等離子體的離子溫度T「離子密度Ni進(jìn)行了測量研究。二實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解ECR等離子體的性質(zhì)2采用離子靈敏探針測量等離子體參數(shù)三實(shí)驗(yàn)裝置ECR微波等離子體裝置、離子靈敏探針及靜電探針自動(dòng)測量儀四實(shí)驗(yàn)原理1.ECR等離子體的原理及特點(diǎn)magnetrondoubIeprobeantenna3-stubetuner圖1電子回旋諧振(ECR)等離子體反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)圖magnetrondoubIeprobeantenna3-stubetuner圖1為刻蝕所采用的電子回旋共振等離子體源結(jié)構(gòu)示意圖。磁控管發(fā)射的微波在矩形波導(dǎo)中以TE10模式傳輸，經(jīng)環(huán)行器、三螺釘阻抗調(diào)配器后到達(dá)模式轉(zhuǎn)換器，再耦合到圓波導(dǎo)以TM01模式傳播，饋入石英窗后進(jìn)入放電室。磁場線圈通電后產(chǎn)生一個(gè)軸向磁場，在此磁場作用下，腔體內(nèi)氣體分子的外層電子作圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電子作圓周運(yùn)動(dòng)的頻率與微波頻率相等時(shí)，電子大量吸收微波能量并被加速，使氣體大量電離產(chǎn)生等離子體。圖2ECR等離子體反應(yīng)器磁場位形圖2為ECR等離子體反應(yīng)器磁場位形，線圈的工作參數(shù)為：勵(lì)磁電流線圈A280A，線圈B0A，線圈C0A,線圈D0A。以石英窗位置為0點(diǎn)，用高斯計(jì)測量ECR等離子體源腔體軸心9)的磁場(B)。在微波等離子體中，電子回旋頻率由磁通密度決定：/=eB/m(1)式中e為電子電荷；m為電子質(zhì)量；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)氣與微波角頻率/m一致時(shí)，ECR條件成立，如果微波頻率為，則微波角頻率刃m與頻率有如下關(guān)系："rnm=2^(2)如果微波頻率是2.45GHz,那么ECR就在磁通密度為0.0875T的地方發(fā)生。在此條件下，電子能有效地吸收微波能量并被加速，使氣體大量電離。由于電子的碰撞,更提高了電離效率，促使更多的氣體分子電離，甚至在1X10-2Pa以下的低氣壓下也能得到很高的電子密度，于是在沒有放電電極的情況下，僅由等離子源便產(chǎn)生了高密度、低溫等離子體。從ECR微波等離子體的原理可知，￡。日微波等離子體和其他類型等離子體相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：具有較低的中性氣體壓力和較長的離子和中性粒子平均自由程，這對于各向異性的選擇刻蝕具有較大的優(yōu)點(diǎn)。電離度高，高活性粒子如離子、激發(fā)態(tài)原子或自由基占有較高的比例。在CVD中可以在低溫下高速沉積優(yōu)質(zhì)薄膜。無放電電極，所以ECR等離子體源本身對反應(yīng)性氣體是穩(wěn)定的，雜質(zhì)的混入及微粒的產(chǎn)生極少，因而對工件的污染也很低。由于靠發(fā)散磁場引出等離子體，故可得到低損傷、方向性好、均勻的等離子體流。這適合于各向異性刻蝕，在CVD中可進(jìn)行限定區(qū)域的沉積。若加上偏置射頻電場，可高精度地控制離子能量，因此工藝的控制性好。2.離子靈敏探針的工作原理離子靈敏探針的設(shè)計(jì)原理如圖3所示，探針由兩個(gè)同心電極組成，外電極是屏蔽管，內(nèi)電極是離子收集極。收集極收縮至屏蔽管以內(nèi)，且探針軸與磁場方向垂直。由于在磁化等離子體中離子的回旋半徑遠(yuǎn)大于電子的回旋半徑，即嗎>>rge。在理想情況下，如果將收集極收縮高度五值設(shè)為：rg>h>>rge，當(dāng)離子和電子同日時(shí)經(jīng)過探針時(shí)，探頭只能接收到離子，電子

則被屏蔽管有效地屏蔽。根據(jù)Katsumata等人E的理論研究，h的取值范圍為：10re>h>10re+Ad式中％電子回旋半徑，％為離子回旋半徑，Ad為蓄拜長度。然而在合適的h值下，由于電子在電磁場中的產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，仍然可能到達(dá)收集極，影響離子電流的收集，因此需在屏蔽管與收集極之間加上合適的偏壓VB）⑵。然后在離子探針上加適當(dāng)?shù)膾呙桦妷?，就可得到靜電離子探針的伏安特性曲線。圖3離子靈敏探針設(shè)計(jì)原理圖由探針伏安特性曲線的拐點(diǎn)求出等離子體電位得到等離子體的離子溫度圖3離子靈敏探針設(shè)計(jì)原理圖由探針伏安特性曲線的拐點(diǎn)求出等離子體電位得到等離子體的離子溫度L。圖4離子靈敏探針結(jié)構(gòu)圖Vp，再對過渡區(qū)部分作非線性擬合即可TS）=%inIi同時(shí)離子密度由飽和離子流求出。（3）2I由——Sf?Ze（4）22I由——Sf?Ze（4）A"kT)i式中mi為離子質(zhì)量，Iio為離子飽和電流，Ze為離子電荷，5廣部a：,兀,8=（a+a）2/Qmh+兀。2），其中a為屏敝官內(nèi)半徑，a為收集極半徑，h為4gcgggc屏蔽極和收集極之間的高度。本實(shí)驗(yàn)所用的離子收集極為一根直徑為0.8mm的鎢絲，屏蔽管是一根外徑為2mm，內(nèi)徑為1.5mm的不銹鋼圓筒，絕緣層為耐高溫的聚四氟乙烯管，最外面由外徑為7mm的陶瓷管包裹，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。五實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟掌握ECR等離子體產(chǎn)生所需要的條件，當(dāng)ECR微波等離子體產(chǎn)生以后，從軸向和徑向窗口觀察ECR等離子體的形態(tài)及顏色。利用離子靈敏探針測量ECR等離子體的離子溫度，作出探針測量的伏安特性曲線。根據(jù)伏安特性曲線計(jì)算ECR微波等離子體的離子溫度和密度。具體步驟如下：在ECR等離子體設(shè)備上裝上離子靈敏探針，打開電源；依次打開機(jī)械泵、旁路閥、真空計(jì)；當(dāng)氣壓抽到10Pa以下時(shí)，打開前級(jí)閥和閘板閥，關(guān)閉旁路閥；打開冷卻水和分子泵；待分子泵轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，打開線圈電流，將電流調(diào)至所需要的電流值；開啟微波裝置，調(diào)節(jié)至所需工作電壓。將靜電探針自動(dòng)測量系統(tǒng)與離子靈敏探針的線路接好，調(diào)節(jié)不同的屏蔽高度h值）及偏壓（Vb），測量離子伏安特性曲線。選擇最佳的離子伏安特性曲線，通過數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出等離子體的離子溫度（Te）及密度（氣）。6將實(shí)驗(yàn)參數(shù)和計(jì)算得出的等離子體參數(shù)填入ECR等離子體參數(shù)表（表1）中。六數(shù)據(jù)處理首先通過靜電探針自動(dòng)測量系統(tǒng)測得取樣電阻隨掃描電壓的分壓曲線（如圖5所示），將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為伏安特性曲線值（即測量的分壓值/（放大倍數(shù)*取樣電阻））后導(dǎo)入Origin中，找到離子飽和電流，圖6中a點(diǎn)即為飽和點(diǎn)，其縱坐標(biāo)y的值即為飽和電流值，Ii0=7.7372uA。然后伏安特性曲線作半對數(shù)曲線（如圖7所示），擬合一條U與lnI斜率的直線。最后通過擬合的直線，將處于直線中的點(diǎn)在Origin中線性擬合，求出直線的斜率（如圖8所示），求出斜率值k為-0.244，此時(shí)可以由式（3）得到離子溫度為T=-：=4.1eV。ik本實(shí)驗(yàn)中h=0.8mm，由以上條件a=0.75mm，ac=0.4mm，計(jì)算得到8=0.288^=4.9x10-7m2,知道了二和Ii0，由式（4）可以計(jì)算出離子密度Ni=2.42x1016m-3O（在利用式（（4）計(jì)算離子密度時(shí)，，需要把Ti的單位eV換算為焦耳）1圖5靜電探針自動(dòng)測量系統(tǒng)測得取樣電阻隨掃描電壓的分壓曲線圖6數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin中的伏安曲線圖8U-lnI曲線線性擬合計(jì)算圖7U-lnI曲線圖表1.ECR等離子體參數(shù)表工作氣壓/PaABCD線圈電流/A微波功率/W屏蔽高度/mm屏蔽管偏壓/V離子溫度/ev離子密度/1010cm-30.07