电感耦合放电对双频容性耦合Ar-N2等离子体物理特性的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)苏州大学物理科技学院 作者:张志辉

  电感耦合等离子体增强的容性耦合等离子体是一种新的等离子体源,采用这种放电方式可以获得高密度均匀的等离子体。本文主要利用朗缪尔单探针对以下几种放电方式的等离子体性质进行诊断:

  ①双频(60,13.56MHz)容性耦合等离子体;

  ②电感(13.56MHz)耦合等离子体;

  ③电感(13.56MHz)耦合增强的双频(60,13.56MHz)容性耦合等离子体。

  通过研究电感耦合放电对容性耦合放电的影响,以及电感耦合功率、混合气体比例等宏观参量对等离子体特性的影响,获得材料处理的最佳条件。实验发现当气压是5Pa时:

  ①双频容性耦合等离子体密度是1010 cm-3左右,极板边缘处等离子体密度较低,中心处较高。随着氩气比例增加,等离子体密度提高,电子温度降低。

  ②电感耦合等离子体放电,随着氩气比例增加,等离子体密度增大。当氩气比例增加到70%,等离子体密度发生数量级改变,高于双频容性耦合等离子体。

  ③电感耦合增强的双频容性耦合等离子体密度较高,当氩气比例是80%,容性电感耦合功率200W 时,组合放电等离子体密度最高,均匀性较好,电子温度升高,径向差别不大。

  通过实验得出,当氩气比例为80%,容性高低频功率分别为150和50W,电感耦合功率是200W 时,双频(60,13.56MHz)与电感(13.56MHz)组合放电可以获得高密度均匀的等离子体。

  低温等离子体物理的应用日益成为一个具有全球影响的科学与工程。等离子体辅助加工被用来制造各种优良性能的新材料,研制新的化学物质,以及材料表面处理,例如等离子体可用于刻蚀,沉积及材料的表面改性等等。金属氮化物因硬度和耐磨性能好,腐蚀性高,热膨胀系数低,保温性能好以及压电常数大等优点在光学,电子和航空航天行业具有广泛应用。采用离子氮化和硬性材料物理气相沉积(PVD)镀层的组合工艺处理方法可有效遏制磨损、冷焊、腐蚀和材料堆积等问题。该组合工艺不仅可以提高表面硬度和抗化学能力,还可优化材料的强度和韧性等。

  2014年3月上海理工大学机械工程学院赵永生,李伟等用射频磁控溅射法研究了溅射气压、基片温度和气流比对TiSiN涂层结构和性能的影响,结果表明:采用射频磁控溅射法沉积可形成速率稳定、组织致密、性能优异的高质量涂层。所制的TiN/Si3N4纳米复合结构涂层受溅射气压、基片温度和N2/Ar比例影响较大。

  许多实验发现等离子体参数的空间分布对材料处理的性能有重要影响,高密度均匀的等离子体能提高材料处理的效率,所以等离子体诊断对材料处理具有重要的意义。Spolaore等用不同收集面积的探针对磁控溅射氩气等离子体诊断,得到了等离子密度、电子温度和等离子体电势随功率的轴向变化规律。最近,Nakano等利用真空紫外发射光谱测量了电感耦合等离子体(ICP),他们观察到当气压是4.98×102 Pa时,随着射频功率增加,氮气分解比例增大。西安电子科技大学吴振宇等研究了ICP天线源的设计对等离子体均匀性的影响。Wang W 和Foster J.等在磁控溅射铜的射频感应耦合等离子体系统中,通过加入多极磁铁的磁场增加离子的密度,用发射光谱测得氩等离子体密度增加了两倍。

  本文使用电感耦合增强的双频容性等离子体化学气相沉积系统,采用不同频率组合放电产生等离子体,用朗缪尔探针对不同比例的氮气和氩气等离子体特性进行诊断,对比研究了不同频率组合的等离子体密度,电子温度的径向分布规律;以及氩气比例、ICP功率对等离子体密度和电子温度的影响,探索产生高密度均匀等离子体的条件。

  1、实验装置

  实验设备由四大部分组成,真空系统,电源激励系统,流量控制系统和探针诊断系统,如图1所示。真空室是筒形立式双层夹壁水冷不锈钢结构,且相对于放电中心具有轴对称性,等离子体被局域在两个可上下移动的平行电极板之间,直径是13cm 的极板间距固定为5.75cm,直径是13cm 的ICP线圈处于距上极板5.5cm,下极板1.25cm 的位置。同时,为了进一步的局域等离子体,避免等离子体逃逸到自由空间,用钻有小孔且与极板同心同面的两个均流环将等离子体区与其他空间隔离开来。单匝线圈通过侧壁固定在上下极板的中间位置处。上极板采用喷淋头的组件便于气瓶内的气体经进气阀和混气阀喷入真空室。电源的激励系统是采用L型的匹配电路和不同频率的功率源组成,其中匹配器由两个可变电容和一个固定的电感线圈组成。不同的功率源可通过真空室的上下极板和侧壁的ICP线圈接入真空室。所有的输电线路尽量短并镀银,使其电导率高于铜线,从而尽量减少射频回路中的功率损失。真空腔的底部为抽气系统,该系统分为两部分,由机械泵涡轮分子泵组成。真空腔体上连接热偶规和电离规,分别用来测量腔体的真空度。探针的诊断系统是由探针,电源控制箱,探针驱动器,驱动器控制箱和软件组成。直径是0.15mm,长度10mm的探针通过DN-35CF法兰将驱动器的真空波纹管连接到反应室。发射光谱仪(可选用)的光纤探头位于真空腔室的一侧,探头采集后传送到光谱仪(AvaSpec-2048型,北京爱万提斯科技有限公司生产)进行数据处理,在计算机上产生实时的光谱图。驱动电源采用频率分别为60,13.56MHz的电源,上下极板各连接60MHz和13.56MHz的功率源,ICP线圈也连接13.56MHz的功率源。

电感耦合放电对双频容性耦合Ar-N2等离子体物理特性的影响

图1 实验装置

  3、结论

  本文在气压5Pa时,采用郎缪尔探针对三种不同放电方式的等离子体源进行诊断,对不同比例的氮气和氩气混合气体放电产生的等离子体密度和电子温度进行研究,发现当气压和混合气体比例相同时:

  ①DFCCP放电,等离子体的密度大小在1010cm-3左右,边缘较低,中心较高,径向均匀性不理想。随着氩气比例增加,等离子体密度增加,电子温度降低。

  ②ICP放电和双频容性耦合放电相比,等离子体的密度较高,而且极板边缘处较高,中心较低。在氩气比例较低时,等离子体的密度径向分布比较均匀,但是高密度和均匀性不能同时实现。另外当氩气比例是80%时,随着ICP功率增加,等离子体密度增加。

  ③采用DFCCP和ICP组合放电后,在同样的氩气比例下,等离子体密度高于DFCCP和ICP,和DFCCP相比,径向的电子温度不仅得到了提高而且径向各点差别不大。当气压5Pa,容性高频功率150W,容性低频功率50W,ICP功率200W 时,调节混合气体中氩气比例是80%时,可以获得高密度均匀的等离子体,适合对材料表面进行处理。

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