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1、ECR微波等离子体离子参数的测量一 实验背景电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance)微波等离子技术是本世纪六十年代中期开 始的，经过几十年的发展，现在已日趋成熟。微波ECR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 最初被应用于核聚变的开发研究，后来又在托卡马克、串级磁镜等聚变装置中进行等离子体 加热研究。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。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 探针是最早的
2、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，能够直接测量等离子体的局部V-I曲线， 且根据测得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，而光谱测量等技 术，只能测得等离子体的平均参数。离子温度是衡量ECR等离子体中最重要的参数之一， 本实验运用离子灵敏探针(Ion Sensitive Probe)对其氧等离子体的离子温度片、离子密度N. 进行了测量研究。二 实验目的1 了解ECR等离子体的性质2 采用离子灵敏探针测量等离子体参数三 实验装置ECR微波等离子体装置、离子灵敏探针及静电探针自动测量仪四 实验原理1. ECR
3、 等离子体的原理及特点C冈heat i ng3-stubetuner60 cmc i rcuIatormode transI at i ngantennatuning pIungerquartz wi ndow10 cmresonant chambersamp Ie ho Ideron probeto pumpmagnet coils/ doubIe probe ftfmagnetron 图1电子回旋谐振(ECR)等离子体反应器的结构图 图1为刻蚀所采用的电子回旋共振等离子体源结构示意图。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
4、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,腔体内气体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，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。图2 ECR等离子体反应器磁场位形图2为ECR等离子体反应器磁场位形，线圈的工作参数为：励磁电流线圈A 280 A，线 圈B 0A,线圈C 0 A,线圈D 0 A。以石英窗位置为0点，用高斯计测量ECR等离子体源腔 体轴心(Z)的磁场(B)。在微波等离子体中，电子回旋频率由磁通密度决定:=eB/ m( 1)c式中e为电子电荷；m为电子质量；B为磁感应强度。当与微波
5、角频率一致时， cmECR条件成立，如果微波频率为f则微波角频率科与频率有如下关系：=2n(2)m如果微波频率是2.45 GHz，那么ECR就在磁通密度为0.0875 T的地方发生。在此条件下，电子 能有效地吸收微波能量并被加速,使气体大量电离。由于电子的碰撞,更提高了电离效率,促使 更多的气体分子电离，甚至在1 X10- 2 Pa以下的低气压下也能得到很高的电子密度，于是在没 有放电电极的情况下，仅由等离子源便产生了高密度、低温等离子体。从ECR微波等离子体的原理可知，ECR微波等离子体和其他类型等离子体相比具有以下 优点：(1) 具有较低的中性气体压力和较长的离子和中性粒子平均自由程，这对
6、于各向异性的 选择刻蚀具有较大的优点。(2) 电离度高，高活性粒子如离子、激发态原子或自由基占有较高的比例。在CVD中可 以在低温下高速沉积优质薄膜。(3) 无放电电极，所以ECR等离子体源本身对反应性气体是稳定的，杂质的混入及微粒 的产生极少，因而对工件的污染也很低。(4) 由于靠发散磁场引出等离子体，故可得到低损伤、方向性好、均匀的等离子体流。 这适合于各向异性刻蚀，在CVD中可进行限定区域的沉积。(5) 若加上偏置射频电场，可高精度地控制离子能量， 因此工艺的控制性好。2. 离子灵敏探针的工作原理 离子灵敏探针的设计原理如图3所示，探针由两个同心电极组成，外电极是屏蔽管，内电 极是离子收
7、集极。收集极收缩至屏蔽管以内，且探针轴与磁场方向垂直。由于在磁化等离子 体中离子的回旋半径远大于电子的回旋半径，艮即”。在理想情况下，如果将收集极收gi ge缩高度方值设为：r hr ，当离子和电子同时经过探针时，探头只能接收到离子，电子gi ge则被屏蔽管有效地屏蔽。根据Katsumata等人的理论研究，h的取值范围为：10 r h10 r +Age ge d式中r电子回旋半径，r为离子回旋半径，人d为德拜长度。geged然而在合适的h值下，由于电子在电磁场中的产生漂移运动，仍然可能到达收集极，影 响离子电流的收集，因此需在屏蔽管与收集极之间加上合适的偏压VB)。然后在离子探 B 针上加适当
8、的扫描电压，就可得到静电离子探针的伏安特性曲线。图 4 离子灵敏探针结构图图 3 离子灵敏探针设计原理图由探针伏安特性曲线的拐点求出等离子体电位V，再对过渡区部分作非线性拟合即可 P 得到等离子体的离子温度T.。1%In Ii 同时离子密度由饱和离子流求出。2 Ii0S - Zeeff3)4)式中m.为离子质量，I.为离子饱和电流，Ze为离子电荷，S =兀a 2，11oeffg冗= (a + a)2 /(2皿h +兀。2)，其中a为屏蔽管内半径，a为收集极半径，h为 4 g c g g g c屏蔽极和收集极之间的高度。本实验所用的离子收集极为一根直径为0.8mm的钨丝，屏蔽管是一根外径为2mm
9、,内 径为1.5mm的不锈钢圆筒，绝缘层为耐高温的聚四氟乙烯管，最外面由外径为7mm的陶瓷 管包裹，其结构如图4 所示。五 实验内容和步骤1. 掌握ECR等离子体产生所需要的条件，当ECR微波等离子体产生以后，从轴向和径向 窗口观察ECR等离子体的形态及颜色。2. 利用离子灵敏探针测量ECR等离子体的离子温度，作出探针测量的伏安特性曲线。3. 根据伏安特性曲线计算ECR微波等离子体的离子温度和密度。具体步骤如下：a. 在ECR等离子体设备上装上离子灵敏探针，打开电源；b. 依次打开机械泵、旁路阀、真空计；c. 当气压抽到lOPa以下时，打开前级阀和闸板阀，关闭旁路阀；d. 打开冷却水和分子泵；
10、e. 待分子泵转速稳定后，打开线圈电流，将电流调至所需要的电流值；f. 开启微波装置，调节至所需工作电压。g. 将静电探针自动测量系统与离子灵敏探针的线路接好，调节不同的屏蔽高度h值） 及偏压（Vb）,测量离子伏安特性曲线。bh. 选择最佳的离子伏安特性曲线，通过数据处理，计算出等离子体的离子温度（ Te）e 及密度（n ）。ei. 将实验参数和计算得出的等离子体参数填入ECR等离子体参数表（表1）中。六 数据处理首先通过静电探针自动测量系统测得取样电阻随扫描电压的分压曲线（如图5所示）， 将数据转化为伏安特性曲线值（即测量的分压值/（放大倍数*取样电阻）后导入Origin中， 找到离子饱和电
11、流，图6中a点即为饱和点，其纵坐标y的值即为饱和电流值,Ii0=7.7372uA。 然后伏安特性曲线作半对数曲线（如图7所示），拟合一条U与lnI斜率的直线。最后通过 拟合的直线，将处于直线中的点在Origin中线性拟合，求出直线的斜率（如图8所示），求1出斜率值k为-0.244,此时可以由式（3）得到离子温度为T= -： = 4.1eV。ik本实验中 h=0.8mm,由以上条件a =0.75mm, a =0.4mm,计算得到 s=0.28S =4.9x10-7m2,gceff知道了 T.和I.O，由式（4）可以计算出离子密度N=2.42x1016m-3。（在利用式（4）计算离子 i i0i密
12、度时，需要把T,的单位eV换算为焦耳）i图5静电探针自动测量系统测得取样电阻随扫描电压的分压曲线LoooLoo2图 6 数据导入 Origin 中的伏安曲线图 8 U-lnI 曲线线性拟合计算表 1.ECR 等离子体参数表工作气压/PaA B C D线圈电流/A微波功率/W屏蔽高度/mm屏蔽管偏压/V离子温度/ev离子密度/1010cm-30.07Pa280,0,0,08000.834.172.42七 思考题1. 气压对离子参数的影响机制？2. 等离子体参数的测量方法有哪些？简述其优缺点？ 参考文献：1 I. Katsumata, Contrib. Plasma Phys. 36S (1996) 73.2 Ezumi N, Kiss ovski Zh, Bohmeyer W, et al， J. Nucl. Mater. (2005) 1106.
