等離子體小型化后往往會產生一些獨特的等離子體性質。本文采用朗謬爾探針和高分辨率發射光譜技術對不同激發頻率下產生的小型感應耦合等離子體進行了測量,選用的三種頻率為13.56MHz ,27.12MHz 和40.68MHz。朗謬爾探針的實驗結果表明,隨著射頻輸入功率的增加以及激發頻率的上升均會導致等離子體功率吸收的增強,從而導致了離子密度增大和電子溫度下降。利用了氣體追蹤法測量感應放電中的氣體溫度,可以發現,由于電子誘導加熱的作用,氣體溫度隨氣壓和輸入功率的增加而增加,射頻頻率的提高也有助于等離子體氣體溫度的上升。

　　低溫等離子體在微電子工業中廣泛應用于薄膜生長、基片刻蝕以及表面改性等領域,這主要得益于等離子體中的電子具有較廣的能量分布和基團具很強的化學活性等特性。低溫等離子體在小型化后與常規等離子體相比往往會產生一些新的特點,如具有更高的等離子體密度,相對較低的電子溫度等,這些小型等離子體源的發展進一步拓展了低溫等離子體在許多領域中的特殊應用,如氣體分析儀、離子推進器、微區消毒、等離子體顯示、紫外光源等。在這些小型等離子體放電的產生方法中,感應耦合放電方式備受關注。J . Hopwood等將網絡匹配系統中的電容和電感通過微加工方法轉移到電鍍金板上,對平板型感應耦合等離子體源進行小型化,并采用變頻系統產生了激發頻率為幾百MHz 的可便攜的感應耦合等離子體源;T. Ichiki等開發了激發頻率為100MHz的甚高頻小型感應耦合等離子體射流源以產生高溫高密度等離子體,從而實現硅基片在亞毫米范圍內的高速刻蝕能力;利用微等離子體射流的高溫特性,H. Shirai等設計了直徑更小的等離子體射流束并噴射到非晶硅表面實現非晶硅的快速晶化;C. S. Corr 和I. A. Biloiu等采用不同頻率激發產生感應耦合等離子體作為一種推進器,研究磁化等離子體膨脹引起的超音速離子束的推進機制。

　　對各種方法下產生的等離子體放電特性的研究一直受到人們的關注,這有助于更進一步的了解掌握等離子體的各方面性質及相關應用。小型化后的等離子體具備了更強的等離子體化學活性,在薄膜生長、納米結構的合成方面展示了很強的應用潛力。本文采用了不同激發頻率的射頻源在一個直徑為8mm 的石英管中產生小型感應耦合等離子體,并采用朗謬爾探針和高分辨發射光譜技術測量了小型感應耦合等離子體的放電特性,為小型感應耦合放電等離子體在薄膜生長或納米材料的合成方面提供一些有用的實驗依據。

1、實驗

　　自制的小型感應放電實驗裝置的結構示意圖,如圖1(a)所示。該裝置的放電激發部分是由外徑3mm 鍍銀空心螺旋天線、匹配器、射頻電源組成。螺旋天線一端接地,另一端接入與射頻電源相連的匹配器。匹配器中的兩個縱、橫可調電容(CL、CT)和自繞的感應線圈(Lcoil) 組成一個L型匹配電路,如圖1 (b) 所示,通過調節電容量和適當的螺旋天線匝數,可形成一個針對特定頻率的諧振回路,以實現最大限度的射頻功率傳輸。鍍銀空心的水冷天線繞在外徑8mm、內徑6mm 的石英玻璃管上,玻璃管的一端通入放電氣體,另一端通過法蘭接入到真空室器壁上。本實驗中采用的等離子體激發頻率分別為13.56MHz、27.12MHz 和40.68MHz。整個激發裝置由接地金屬罩屏蔽,減少對外界的電磁輻射與干擾。真空室主要由不銹鋼腔體、不銹鋼法蘭以及其它一些部件構成。真空系統由機械泵、擴散泵組成。本底真空可以抽到10^-3 Pa 。

圖1 　(a) 小型感應耦合等離子體實驗裝置的結構示意圖; (b) 小型感應耦合等離子體實驗裝置的等效電路圖, CT 、CL 為可調電容, Lcoil 、和Rcoil為感應線圈等效電感與電阻, LP 、RP 為等離子體的等效電感與電阻

　　用于對等離子體參數進行測量是HIDEN 朗謬爾探針系統(探針由10mm 長、直徑為0.15mm 的鎢絲組成) ,從裝置的另一側經法蘭伸進腔體內,探針系統與玻璃管同在中心軸線上。OES 發射光譜是在螺線管和真空腔體之間的玻璃管外側進行采集的,本實驗采用Acaspec-2048FT-8RM光譜儀進行光譜采集。等離子體的放電氣體主要是氬氣,石英玻璃管內的氣壓控制在小于100Pa 的范圍內。通過朗謬爾探針測量得到的I - V 特征曲線進行分析計算得到等離子體參數,如電子溫度、離子密度等。首先,假設電子分布遵從Maxwellian 分布 ,將I - V 曲線轉化為對數形式曲線ln I - Vp ,其離子飽和區和電子飽和區之間的過渡區域近似一條直線,由該直線斜率倒數的相反數得到電子溫度Te 。我們作一條符合離子飽和區的直線延伸到電子區域中,用于去除靜電流中的離子電流部分。根據OML 理論推導,離子密度ni 與電流、電壓之間的關系:

，探針測量得到的I² - V 曲線圖中離子飽和區域部分近似直線,利用該直線斜率求出離子密度。在放電氣體中通入少量氮氣作為示蹤氣體分子,可以通過發射光譜法測量放電等離子體氣體溫度等特征參量 。整個激發裝置可以沿著石英管軸向移動,因而可以獲得等離子體參量隨軸向位置的變化情況。實驗中, 將測量得到的位于399.84nm的N₂ 光譜線與計算光譜進行逼近擬合得到氣體轉動溫度。

　　限于篇幅，文章中間章節的部分內容省略，詳細文章請郵件至作者索要。

3、結論

　　采用朗謬爾探針、OES 發射光譜診斷技術,分別對13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz 等三個頻率激發產生的等離子體的參量進行了測量。實驗結果表明,由于等離子體功率吸收的增加,激發頻率或射頻功率的增加導致等離子體的有效電子溫度降低,離子密度增加。在小型感應耦合等離子體的軸向方向上,離子密度和電子溫度基本維持不變。氣體溫度隨著氣壓和射頻輸入功率的增加而上升,主要歸結為以電子與中性氣體的碰撞誘導產生的熱。