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1、交叉型天线ICP放电及其均匀性,报 告 人: 卢 春 山,一 引言二 实验三 结果与讨论四 结论,一 引 言,平面显示器需要大面积等离子体源的处理,在众多的等离子体源中感应耦合等离子体源（ICP）是一个可选项。在设计ICP时，天线配置是一个关键。传统外置螺旋型天线ICP在放大时，由于承受真空压力，需要增加介质窗的厚度而这导致了射频功率耦合效率的下降；同时，加长的螺旋型天线会引起射频功率额外的损失，也面临着驻波效应引起功率沉降的不均匀等限制因素。基于上述因素人们设想把外置螺旋型天线改为内置直线型天线来降低介质窗的厚度，改善等离子体的放电特性。相继出现并联式、串联式天线以及双梳型天线 。,引用文献
2、:Low impedance antenna arrangement of internal linear ICP source for large area FPD processing( S.J Jung,K.N,G.Y.Yeom) 图中显示的是ICP源中应用的传输型天线,两种天线总长为7米.蛇型天线类似串联一端接射频一端接地,第二种相当于天线的并联每一端接射频,另两端接地。,实验发现采用这两种并联式、串联式天线进行放电，虽然介质窗问题得到解决，但是等离子密度并不高。为了提高等离子体密度，P.Colpo等人又对天线外型进行了改进，把直线型天线镶嵌到有着高磁导系数的铁氧体磁槽里面来增强天线与
3、等离子体间的电磁耦合，实验表明改装后的离子流密度增大50%,引用文献: Optimizing the inductive-coupling efficiency for large-area source design. ( P.Colpo, T.Meziani and F.Rossi ),双平行蛇型线 双平行回线 三平行回线,上述方法引入的磁场都是通过增加电子与中性粒子的碰撞频率或减少电子流向器壁的损失来提高等离子体密度，然而平行排列的天线产生的等离子体并其均匀性并不理想。我们采用了交叉型天线，并与13.56MHz的射频功率相连，电子从天线射频电流产生的交变电磁场中获得射频功率，以激发产生感
4、应耦合等离子体放电。,二 实验,工作气体采用纯度为99.999% Ar气，气体流量为6sccm-16sccm，从真空室顶端以喷淋方式进入真空室，腔体的工作气压范围在2Pa-20Pa之间。采用的测量工具:Hiden产可径向移动的朗缪尔探针用来测量Te、Ne、Ni等参量,自制的Rogowski线圈来测量输入天线中的射频电流，发射光谱（OES）测量Ar原子的发光强度。,外径为6mm的串联镀银铜管穿过外径为10mm、内径为8mm的石英管。石英管之间的距离为35mm。上下两排石英管的距离为12mm。镀银铜管的一端接地，另一端则接入与13.56MHz射频源相连的网络匹配器。内通循环冷却水，避免放电过程中镀
5、银铜管的温升引起网络匹配效能的降低。,三 结果与讨论,等离子体的电导率可用下式表示为：,线圈电流随气压的变化:,等离子体的电导率基本上随气压的上升而线性下降的，显然耦合给天线的电阻也随之增加，这可能是射频电流随着气压的增加而下降的主要原因。,功率超过100W射频电流明显增加，我们认为这主要是H模式下放电引起的。S.xu等人也观察到随着射频功率增加出现了E-H模式的转变，射频电流也不断增加，气体发光由弱突变到强.,线圈电流随功率的变化:,由于Ar激发谱线强度正比于超过阈值能量的电子态密度和Ar原子基态的数目，气压的增加意味着Ar原子基态数目的增加，也意味着电子与基态原子的碰撞频率增加，这导致了A
6、r激发谱线强度的增强。,发光强度随气压的变化,如左图所示Ar谱线强度与射频输入功率的关系呈V型变化，这可能起因于等离子体放电过程中的E-H模式转变,发光强度随功率的变化,电子温度随气压的变化,等离子体放电过程中由于电子、离子的双极扩散作用，在腔体的中心区域存在着可以局域低能电子的势垒区，而高能电子可以克服该势垒扩散到器壁附近，这可能是电子温度呈现凹型分布的一个原因。 电子温度随气压的增大而减小是由于气压的增加使得电子平均自由程缩短，电子热动能逐渐减小从而使得电子温度降低引起 。,气压保持不变时电子温度随功率的升高而变化不大，其均匀性也不受功率的影响。Min-Hyong Lee等人15在螺旋型天
7、线感应耦合等离子体放电中观察到电子温度随功率的升高而降低，并用粒子的得失平衡方程给出了解释，但在本实验中并没有明显观察到电子温度随功率呈现下降的趋势。,电子温度随功率的变化,电子和离子密度沿径向变化趋势,电子密度在中间位置较高，沿着器壁方向逐渐降低。在真空室腔体的中心区域60mm位置离子密度有较好的均匀性超过了90，平均离子密度为 电子、离子密度都出现一定程度的起伏，这可能是由于天线相隔很近（50mm），相邻的天线中电流产生的磁场相互干扰造成的。电子密度之所以呈现凸型分布，是因为腔体的中心区域存在着可以局域大量低能电子的势垒区，而少量高能电子可以克服该势垒扩散到器壁附近。,四 结论,介绍一种交叉天线型射频感应耦合等离子体源，并采用朗谬 尔探针、发射光谱等方法诊断了等离子体源放电特征及其均匀性， 测量结果表明这种等离子体源能够产生较低的电子温度、较高的等 离子体密度并能在真空室中间部分呈现出好于90的均匀性 。,
