《武汉工程大学学报》 2009年05期
51-53
出版日期：2009-05-28
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
微波ECR氧等离子体参数测量
0引言微波ECR（电子回旋共振）等离子体与传统等离子体相比，具有高密度、高能量转换率、低工作气压、无电极放电、高各向异性以及低离子能量等优点，近年来，ECR等离子体被广泛运用于微电子技术，材料加工，低温表面处理工艺中［13］. 了解并优化ECR等离子体特性参数是ECR等离子体应用的关键.在等离子体诊断中，Langmuir探针（或称静电探针）是最早的等离子体诊断手段之一；是低气压冷等离子体应用最广泛的等离子体诊断工具，其突出优点是：结构简单，操作方便且根据探测得到的伏安曲线可导出等离子体密度、电子温度和空间电位等参数［46］.本文在发散型磁场下，应用Langmuir静电双探针各自诊断了不同气压、微波功率和氧气流量状态下的ECR等离子体的密度和电子温度，并分析了气压、微波功率、氧气流量等参数对等离子体参数的影响.1实验图1是本研究使用的ECR等离子体源的结构示意图.发射频率为2.45 GHz的磁控管发射的微波在矩形波导中以TE10模式传输，经环行器、三螺钉阻抗调配器后到达模式转换器，再耦合到圆波导以TM01模式传播，馈入石英窗后进入放电室.磁场线圈通电后产生一个轴向磁场，在此磁场作用下，腔体内氧气分子的外层电子作圆周运动，当电子作圆周运动的频率与微波频率相等时，即磁场强度为0.0875 T时，电子大量吸收微波能量并被加速，使气体大量电离产生等离子体.进气口附近有均流设计，起到均匀工作气体的作用.（1）微波源；（2）环行器；（3）阻抗调配器；（4）模式转化天线；（6）石英窗；（7）进气口；（8）等离子体；（9）磁场线圈；（10）Languir双探针；（11）样品台；（12）基片加热；（13）真空获得与测量
图1ECR等离子体源结构示意图
Fig.1Schematic diagram of an ECR plasma reactor图2（a）为朗缪尔双探针结构图，它由两个直径相同的钨丝组成，端点的工作部分裸露，前端由陶瓷将两钨丝绝缘，中间用石英管将钨丝与不锈钢腔体绝缘. 图2（b）是使用的朗缪尔双探针测量原理示意图，探针悬浮于等离子体中，工作电压UD加在两探针之间，通过测量两探针之间工作电流ID随UD的变化就得到双探针的伏安特征曲线.然后根据公式（1）、（2）计算出电子温度kTe和等离子体密度n0 ［67］.图2朗谬尔双探针
Fig.2Schematics of dubole Langmuir probe diagnostics system则电子温度：kTee=Iio2dIDdUD|ID=0（1）
等离子体密度：ne≈ni≈n0=Iio0.61eAskTemi1/2（2）
式中，Iio——离子饱和流；
ne——电子密度；
ni——离子密度；
mi——离子质量；
As——探针表面积.两个测量探针直径为0.5 mm，裸露长度为15 mm，为了测量基片附近的等离子体参数，将探针安装在基片上方约110 mm处.第3期谭必松，等：微波ECR氧等离子体参数测量
武汉工程大学学报第31卷
2结果与讨论2.1工作气压对ECR等离子体参数的影响图3是ECR等离子体参数随工作气压变化的测量结果.可以看出，工作气压从1.8×10-2 Pa增加到3 Pa，基片附近的等离子体密度先增大后减小，从0.29×1010 cm-3 增加到0.65×1010 cm-3 ，再减小到0.20×1010 cm-3 ；而电子温度逐渐减小.在气压较低时，中性粒子密度小，电子密度较低，随着气压的增加中性粒子密度增加，中性粒子的电离数增加，从而电子密度上升，当气压继续上升，由于电子碰撞及热交换使温度下降，从而电离率下降，导致电子密度下降.随着气压的升高，电子的平均自由程减小，电子多次碰撞而导致电子温度减小.工作参数：微波功率800 W，励磁电流202 A，氧气流量2.2 mL/min.
图3ECR等离子体参数随工作气压的变化
Fig.3Dependence of ECR plasma parameters on work pressure2.2微波功率对ECR等离子体参数的影响图4是ECR等离子体参数随微波功率变化的测量结果.可以看出，电子密度随微波功率增加，先增加后趋于饱和；而电子温度增加很少.电子密度出现饱和现象的原因是：由于稳态气体放电是一个动态平衡的过程，既有电离又有复合，当微波功率较低时，电离占主导作用，随着微波功率的增加，电子密度增加，同时复合越来越强，当两者达到平衡时，气体的电离率达到饱和，即电子密度趋于饱和；此外电子能量与电子碰撞电离截面的关系是非线性的，即电子能量超过某一阀值后，随着电子能量的继续增加，电离截面反而下降，这也导致饱和现象的发生.电子温度受微波功率影响很小，类似正柱辉光放电［7］.工作参数：励磁电流202 A，氧气流量11.2 mL/min，工作气压0.7 Pa.
图4ECR等离子体参数随微波功率的变化
Fig.4Dependence of ECR plasma parameters on microwave power2.3氧气流量对ECR等离子体参数的影响图5是ECR等离子体参数随氧气流量（S）变化的测量结果.可以看出电子温度和电子密度都随着氧气流量的增加而减小.在其它状态不变的情况下（特别是在压强不变的情况下），氧气流量的增加在微波场作用下会导致氧原子浓度的增大，而氧原子的亲和能较高（约1.5 eV），易捕获电子形成负离子，不仅削弱了电子的电离作用，而且由于电子变成负离子而使复合增强，导致电子温度和电子密度都下降.工作参数：励磁电流202 A，微波功率760 W，工作气压0.7 Pa.
图5ECR等离子体参数随氧流量的变化
Fig.5Dependence of ECR plasma parameters on the flow of oxygen3结语采用朗谬尔双探针对发散场ECR等离子体装置中基片上方的等离子体参数进行了测量.实验结果表明：a. 等离子体密度随着气压升高先增大后减小，而电子温度随气压升高而降低.b. 随微波功率的增加，等离子密度先增加后达到饱和，电子温度受微波功率影响很小.c. 随着氧气流量的增加，氧原子浓度增加，由于氧原子捕获电子形成负离子既削弱了电子的电离作用又使复合作用增强，导致等离子体密度和电子温度都减小.