《武汉工程大学学报》  2010年09期 53-57   出版日期：2010-09-30   ISSN:1674-2869   CN:42-1779/TQ

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磁场位形对微波ECR等离子体电子参数的影响


0引言微波电子回旋共振(ECR)等离子体以其高密度、低温、能量转换率高、无电极等优点已成功地应用于材料表面处理、刻蚀、薄膜制备等微电子工业中［13］.ECR等离子体中电子参数对上述应用有直接的影响,因此研究ECR等离子体中的电子参数对其应用研究具有十分重要的意义.等离子体参数的测量方法有很多种,Langmuir探针是一种既简单方便,准确性又较高的方法［4］.根据探针的测量,可以实时地反馈调节等离子体参数,以达到所要求的等离子体.磁场是微波ECR等离子体产生的基本物理因素之一,不同的磁场位形将直接影响ECR等离子体的参数和性能,因此研究磁场位形对微波ECR等离子体参数的影响对其可控利用有重要作用.目前微波ECR等离子体的研究中,磁场位形较多都利用发散场［56］,结合磁镜场来研究等离子体参数的工作还比较少.本文分别在发散场和磁镜场条件下,测量了微波ECR等离子体电子参数,研究了两种磁场位形对微波ECR等离子体电子参数的影响,并分析了其影响机制.1实验装置1微波源,2环形器,3三销钉匹配器,4耦合天线,5挡板,
6石英窗口,7磁场线圈,8测量窗口,9基片台,10真空系统,11通气孔
图1ECR装置示意图
Fig.1Schematic diagram of an ECR plasma reactor图1为自行研制的微波ECR等离子体装置示意图.微波源产生2.45 GHz微波,由矩形波导传输,经天线耦合到圆波导,并通过石英窗口馈入真空室内.磁场系统由四组沿轴向可调的线圈和三台直流电源组成,为ECR等离子体提供所需的磁场,磁场强度由高斯计测量,本实验所使用的两种磁场位形如图2所示.实验所使用的工作气体为氧气,经过质量流量控制器和通气孔导入真空室.真空系统由机械泵和涡轮分子泵组成,实验本底真空为3×10-3Pa.图2发散场和磁镜场的中心轴向位形图
Fig.2The axial profiles of divergence and mirror
 magnetic field at the center 实验采用Langmuir双探针测量等离子体电子参数,双探针所用的钨丝直径为0.5 mm,裸露的探头长度为5.3 mm,探针沿腔体径向的深度可以调节,最大调节范围为4 cm.测量时将双探针悬浮于等离子体中,工作电压加在两探针之间,测量工作电流Ip随两探针之间电压Vp的变化,就得到双探针的伏安特性曲线,其测量原理如图3所示.通过伏安特性曲线得到dU/dI和Ii0的值,当两探针完全相同时,Ii01=Ii02=Ii0,代入(1)式可求得电子温度Te,然后将电子温度值与饱和电流值代入(2)式可求得电子密度ne［7］.dIdUI=0=ekTeIi01Ii02Ii01+Ii02(1)Ii0=0.61eneSikTemi(2)
式中:Ii0为离子饱和电流,mi为离子质量,Si为探针表面积.图3双探针测量原理图
Fig.3Schematic of double Langmuir
probe diagnostics system 本实验采用型号为PAMM2/100G的静电探针自动测量系统与双探针相结合来测量ECR等离子体的电子参数,它能在10 s内完成一次扫描,并且提高了测量的准确性.第9期沈武林,等:磁场位形对微波ECR等离子体电子参数的影响
武汉工程大学学报第32卷
2结果分析与讨论2.1电子参数的空间分布实验利用双探针分别在径向R=0,1,2,3,4 cm和轴向Z=15.3,17,18,19.8,21 cm(轴向将石英窗口处设为Z=0,微波沿Z轴正向传播)处测量了两种磁场位形中ECR微波等离子体的电子温度和密度,测量时微波功率为800 W,工作气压0.05 Pa,氧气流量标准状态下5.0 cm3/min,将测量的结果拟合为三维曲线,如图4、5所示.图4(a)、(b)分别为发散场和磁镜场位形下等离子体的电子温度空间分布图,两者共振面均位于Z=15.3 cm处.从电子温度的空间变化趋势看,发散场和磁镜场中的电子温度在共振面过后沿微波传输方向均缓慢降低,如轴线上(R=0 cm),沿轴向15.3 cm到21 cm发散场中电子温度从9.23 eV降到7.94 eV,磁镜场中电子温度从7.56 eV降到5.19 eV.在两种磁场位形中,电子温度沿微波传输方向不断减小有两方面的原因:一方面是ECR等离子体中,微波能量主要在共振面处被等离子体吸收,在共振面处带电粒子有最高的能量;另一方面是由于等离子体沿着轴向扩散时,电子与中性粒子的碰撞使电子能量逐渐损失所导致.两种磁场位形中,电子温度沿径向的变化规律明显不同.磁镜场中电子温度随径向半径R的增大单调减小,而发散场中电子温度在轴心和腔体边缘较大,在过渡的中间区域较小,电子温度在靠近腔壁处反常升高.图4ECR微波等离子体的电子温度空间分布图:
(a)发散场;(b)磁镜场
Fig.4The spatial distribution diagram of microwave
 ECR plasma electron temperature 发散场中电子温度在腔壁附近增加,主要是由于发散磁场位形下,磁场对等离子体的约束较弱,边缘处等离子体中的电子撞击腔壁而损失,使得腔壁附近形成较强的等离子体鞘层,该鞘层作用于等离子体内部的电子,导致腔壁附近电子温度较高.在磁镜场中,电子受到磁场的约束作用较强,磁镜效应使大部分电子被束缚在R较小区域内［8］,这样就使碰撞腔壁而损失的电子少,等离子体鞘层作用影响较小,因此腔壁附近电子温度较低.从电子温度值的分布上看,在共振面的轴心处,两种磁场位形下的电子温度相近,是由于该处的电子温度主要决定于微波功率和工作气压.而在R较大的区域,发散场中的电子温度明显大于磁镜场,这是因为磁镜场中电子受磁镜的束缚,集中在R较小的区域,大部分高能电子由于非弹性碰撞损失能量而变成低能电子,因此电子温度相对较低.图5(a)、(b)分别为发散场和磁镜场位形下等离子体的电子密度空间分布图.从图中可以看到,电子密度在两种磁场位形中随径向和轴向距离的增大均呈单调下降的趋势,图5微波ECR等离子体的电子密度空间分布图:
(a)发散场;(b)磁镜场
Fig.5The spatial distribution diagram of microwave
 ECR plasma electron density如在共振面(Z=15.3 cm),发散场中电子密度从R=0 cm的4.45×1010 cm-3下降到R=4 cm的1.02×1010 cm-3,磁镜场中电子密度由R=0 cm处的9.77×1010 cm-3下降到R=4 cm处的2.96×1010 cm-3.不同的是,发散场中电子密度随径向半径R的变化较小,特别是当Z=21 cm时,电子密度几乎不随R的变化而改变,其值都在0.9×1010 cm-3左右,而磁镜场中电子密度在共振面中心明显较大,沿径向和轴向距离的增加均有快速下降.发散场中电子密度的分布,在共振面附近是由粒子碰撞和梯度磁场共同作用所导致的,随着轴向的延伸,梯度磁场的作用逐渐减弱,主要由粒子碰撞影响其分布,电子与中性气体分子或离子的碰撞在传递能量的同时,使电子密度随径向变化很小［9］.在磁镜场中磁镜作用使大量的电子被约束在共振区,导致电子密度随径向和轴向距离的变化较大.另外,从图中各轴向位置还可以看到,在R较小的区域电子密度在磁镜场大于其在发散场,而在腔体边缘则小于其在发散场,这也是磁镜效应所导致的结果.2.2气压对电子参数的影响实验在同一位置(Z=15.3 cm,R=0 cm)相同磁场强度(B=0.087 5 T)下,利用双探针测量了两种磁场位形中不同气压下(分别为0.05,0.1,0.2,0.5,0.8 Pa)的电子参数,结果如图6所示.图6在两种磁场位形中气压对电子参数的影响:
(a)电子温度;(b)电子密度
Fig.6Dependence of ECR plasma parameters on work
pressure in the two magnetic fields测量时微波功率为800 W,氧气流量标准状态下5.0 cm3/min.图中电子参数随气压的变化规律在两种磁场位形中基本相同,电子温度均随气压的增加而减小(发散场中电子温度从0.05 Pa的9.23 eV降低到0.8 Pa的5.13 eV,磁镜场中电子温度从0.05 Pa的7.56 eV降低到0.8 Pa的5.53 eV),电子密度随气压的增加先增大后减小(两种磁场位形中,电子密度均在0.2 Pa左右达到最大),这是因为气压增加,中性气体密度增大,电子与中性粒子的电离碰撞频率增加,电子密度增大,同时由于碰撞频率增加导致电子温度下降;而随着气压的继续增加,电子平均自由程逐渐变短,电子在两次碰撞之间吸收的微波能量减少,电子温度降低,导致气体电离率下降,造成等离子体密度随之下降［10］.另外,发散场中气压对电子温度的影响比磁镜场大.这是因为发散场中电子的扩散与碰撞主要受气压影响,而磁镜场中电子的扩散与碰撞不仅受气压影响,而且受磁镜场的影响,因此当气压变化时,磁镜场中的电子温度受气压的影响也相对较小.3结语实验测量分析了两种磁场位形中微波ECR等离子体的电子参数,结果表明:a. 发散场中电子温度在轴心和腔体边缘较大,在过渡的中间区域较小,而磁镜场中电子温度随径向半径R的增大单调减小;在共振面的轴心处,两种磁场位形下的电子温度相近,而在R较大的区域,发散场中的电子温度明显大于其在磁镜场.b. 电子密度在两种磁场位形中随径向和轴向距离的增大均呈单调下降的趋势,磁镜场中的下降幅度大于发散场;在R较小的区域电子密度在磁镜场大于其在发散场,而在腔体边缘则小于其在发散场.c. 在共振面附近,发散场中气压对电子温度的影响比在磁镜场中大,而气压对电子密度的影响在两种磁场位形中基本相似.本文主要讨论了两种磁场位形对微波ECR等离子体电子参数的影响,对于其他磁场位形以及在这些位形中离子参数的分布情况还需要进一步研究.