洪布雙 苑 濤 鄒帥 唐中華 徐東升虞一青 王栩生 辛 煜?

1)(蘇州大學物理科學與技術學院，江蘇省薄膜材料重點實驗室，蘇州 215006)

2)(蘇州阿特斯陽光電力科技有限公司，蘇州 215011)

(2012年9月10日收到;2012年12月5日收到修改稿)

1 引言

電負性氣體如O2，Cl2和SF6在負離子輔助刻蝕和離子注入等多種等離子體工藝及半導體工業(yè)中有著極其廣泛的應用[1].電負性等離子體定義為那些具有電子吸附性的氣體，含有一定的負離子密度并且需要考慮在內(nèi)的等離子體.負離子產(chǎn)生于等離子體的電子俘獲或電荷轉移過程，等離子體內(nèi)部反應過程如中性粒子或離子之間的反應等也是負離子產(chǎn)生的重要因素[2].由于所含負離子的不同造成不同電負性氣體間的性質與電負性的差異，同時負離子的加入會使等離子體的平衡結構和輸運性質變得非常復雜，使得人們對電負性等離子體的研究非常感興趣.目前，比較成熟的等離子體參數(shù)的測量方法是采用朗繆爾靜電探針法，因為靜電探針結構簡單、使用方便且具有良好的空間分辨率.但傳統(tǒng)的靜電探針廣泛的應用于電正性等離子體的測量中，在電負性等離子體中，負離子的加入影響了探針表面的鞘層結構[3]，加重了探針I(yè)-V曲線的解讀難度，從而按常規(guī)程序得到的測量結果難以如實反映等離子體的真實特性.為此，我們從兩個方向對朗繆爾探針的測量數(shù)據(jù)進行解讀分析，并對測量結果進行了優(yōu)化與修正：1)由朗繆爾探針測量得到的電子能量概率分布函數(shù)(EEPF)分析得到混合等離子體的電子密度與電子溫度.2)由朗繆爾探針測量得到的I-V特性曲線，通過對比電子飽和區(qū)和離子飽和區(qū)電流，計算所測電負性混合等離子體的電負度α=n-/ne(負離子密度與正離子密度之比)，再利用等離子體的準中性條件從而得到混合等離子體的電子密度.

利用電負度α來表征等離子體中各粒子的密度關系首先是由Doucet在1970年提出，后來利用經(jīng)典的圓柱形朗繆爾探針對碘等離子體的電子密度進行了估算[4].1999年Sheridan提出了用于解釋電負性氣體碰撞理論的流體模型[5];同年，Sheridan和Chabert等人對Boyd等人的測量方法進行了改進，并提出了用于測量電負性氣體的‘雙探針’技術[6,7]，這種方法分別通過一個帶有屏蔽環(huán)的平面探針收集離子飽和區(qū)電流和一根圓柱型探針收集等離子體電勢處的電子電流提高了實驗精度.2001年Shindo等提出了一種新型的方法用于SF6/Ar混合電負性氣體的測量，由電負性混合氣體與背景氣體間的電流比值得到其電負度α[8].2006年Chung等人利用朗繆爾探針，通過EEDF曲線法與玻姆通量法兩種方法測量了O2等離子體的電子密度[9]，并對測量結果進行了對比.2010年Chung等人又對低氣壓SF6放電等離子體進行了系統(tǒng)的測量，并提出了‘三氣壓點法’用于電負性等離子體的測量[10].

近年來，人們對電負性氣體的測量愈發(fā)重視，并對多種電負性氣體的性質進行了研究[11,12].然而，從以上工作中我們也可以發(fā)現(xiàn)，人們往往只注重于對單一種類的電負性氣體的縱向研究，卻忽略了不同電負性氣體的橫向對比.本文利用朗繆爾靜電探針和懸浮型微波共振探針測量了單射頻40.68 MHz等離子體，研究了三種不同電負性氣體(O2，Cl2，SF6)在不同流量比下對容性耦合Ar等離子體參數(shù)產(chǎn)生的影響，著重分析了電子密度ne、電子溫度Te以及EEPF的變化情況，然后根據(jù)Shindo等[8]提出的方法計算了混合等離子的電負度，并對這三種混合等離子體的電負度進行了比較.為驗證朗繆爾靜電探針的測量結果，我們利用了優(yōu)化后的微波共振探針[13-15]對這兩種方法的測量結果進行了對比.本文對實驗結果進行了初步解釋.

2 實驗細節(jié)

2.1 容性耦合等離子體放電實驗裝置

實驗中使用的容性耦合等離子體放電裝置如圖1(a)所示.反應腔的內(nèi)徑為350 mm，內(nèi)部裝有兩個平行電板，上電極直徑為220 mm，下電極直徑為250 mm，施加的射頻電源由一個信號源和一個功率放大器組成，通過一個阻抗匹配器連接到通有水循環(huán)的上、下電極.匹配網(wǎng)絡采用‘L’形方式，包括兩個可調(diào)電容和一個固定電感，所有射頻傳輸線都采用鍍銀的同軸電纜并盡可能短，這樣可以減少射頻功率在傳輸過程中的損耗.上極板輸入頻率為40.68 MHz的射頻功率，下電極接地.兩電極間距設定為50 mm，輸入的射頻功率設為100 W，放電氣壓通過調(diào)節(jié)解閥的開啟角度設定為2.0 Pa.實驗中使用純度為99.999%的高純Ar氣做為放電的背景氣體，摻入的電負性氣體分別為O2(純度為99.999%)、Cl2(純度為99.999%)和 SF6(純度為 99.999%)，并通過各自的質量流量計輸入到反應腔中.電負性氣體與背景氣體Ar的總流量設定為113 sccm.腔室的抽氣系統(tǒng)由分子泵和機械泵聯(lián)合組成，本底真空為5×10-3Pa.在等離子體參數(shù)的測量過程中，朗繆爾靜電探針或微波共振探針通過連接法蘭放置在放電腔室的中心，并位于兩平行電極板的中平面上.

本實驗中所使用的朗繆爾靜電探針由英國Hiden公司生產(chǎn).為避免射頻干擾，我們在緊靠探針的后端使用共振阻塞元件獲得射頻震蕩的補償，對40.68 MHz的射頻波進行補償并由次級阻抗過濾次級諧波.采用了參考探針補償用于抵制較低頻率的影響，消除了如等離子體電位漂移或噪聲等引起的低頻效應.探針由12 mm長、直徑為0.15 mm的鎢絲組成，緊靠針尖的陶瓷管直徑為0.3 mm，長度為10 mm，這些數(shù)值均小于本實驗中的電子平均自由程.

實驗采用懸浮型的反射型微波共振探針(發(fā)夾探針)測量電負性等離子體密度，以與朗繆爾探針的測量結果進行比較.主傳輸線采用的是阻抗值為50 Ω的RG223型同軸電纜線，直徑為1 mm傳輸芯線彎曲成單匝中心半徑約為1.75 mm的感應線圈.U形發(fā)夾探針采用直徑為0.2 mm的鉭絲制作而成，間距為5 mm，臂長為36 mm，通過AB環(huán)氧樹脂膠密封在同軸電纜線的聚四氟乙烯絕緣層末端，U形探針平面離開感應線圈一端平面約1.5 mm左右，以保證合適的感應電位，從而在測量S11參量信號時能得到較高的信噪比.本實驗采用安捷倫公司生產(chǎn)的N5230A型矢量網(wǎng)絡分析儀其掃描頻率范圍為300 kHz—20 GHz.典型的Ar等離子體I-V特性曲線以及真空和Ar等離子體放電的探針共振信號分別如圖1(b)，(c)所示.

2.2 朗繆爾探針診斷方法

低氣壓下低溫等離子體的電子能量分布函數(shù)接近于Maxwell分布.但在實際的低氣壓放電條件下，電子能量分布函數(shù)往往偏離Maxwell分布，呈現(xiàn)出雙溫甚至三溫Maxwellian分布或Druyvesteyn分布，這種情況下，I-V曲線在過渡區(qū)不再是簡單的指數(shù)關系，實驗測量結果產(chǎn)生的誤差需要考慮在內(nèi).

Druyvesteyn考慮了電子與分子的碰撞引起的能量損失，而且認為電子的平均自由程與能量無關，由此得到電子能量概率函數(shù) f(E)與探針電流對偏壓的二次微分的關系為

該式稱為Druyvesteyn公式，這里E=e(Vp-Vpr)是電子能量，Vp和Vpr分別是等離子體電位和探針電位，A為探針表面積.電子密度和電子溫度則由以下兩式分別得到：

用EEPF方法可以很好的判斷電子能量的分布情況.對于EEPF是一條直線的電子，其能量是Maxwell分布，而對于EEPF是一條拋物線的電子，其能量分布形式通常呈現(xiàn)Druyvesteyn分布[16].

圖1 (a)容性耦合實驗裝置示意圖;(b)朗謬爾靜電探針測量的Ar等離子體I-V曲線;(c)微波共振探針在真空和Ar等離子體中的共振吸收信號

在Shindo提出的方法[8]中，混合電負性等離子體X的電負性表示為

2.3 微波共振探針的診斷方法

常規(guī)的微波共振探針采用U形發(fā)夾結構，它實際上是一段開路、一端短路的四分之一微波共振波長的平行傳輸線，探針的共振頻率表述為

式中，fr和 fr0的單位為GHz.

3 實驗結果與分析

在朗繆爾探針和微波共振探針進行等離子體診斷測量的實驗中，40.68 MHz激發(fā)的容性耦合等離子體的放電條件是：放電功率為100 W，放電氣壓為2.0 Pa，電負性氣體與Ar的總流量控制在113 sccm.

3.1 朗繆爾探針與懸浮型微波共振探針測量的電子密度結果比較

為了驗證朗繆爾靜電探針(LP)在射頻等離子體中測量的電子密度結果，我們采用了懸浮型的微波共振探針(HP)在同等條件下對等離子體電子密度進行了測量，并將兩種方法得到的結果進行比較，其中微波共振探針得到的電子數(shù)據(jù)是經(jīng)過了校正[20]后的結果.如圖2所示是由朗繆爾靜電探針與懸浮型微波共振探針測得的電子密度隨電負性氣體流量比變化的結果對比圖.由圖2可以看出，兩種方法在三種不同混合等離子體中電子密度的變化趨勢基本上是一致的，即隨著電負性氣體流量的增加，電子密度隨之下降.兩種方法測得的電子密度均在同一數(shù)量級(109cm-3)，并且同等測量條件下數(shù)據(jù)的最大偏差為23%，最小偏差約3%.由此，可以認為通過朗繆爾靜電探針所測得的等離子體電子密度是可信的.對于40.68 MHz激發(fā)的容性耦合Ar等離子體，在此實驗條件下，電子溫度約為2 eV.在利用微波共振測量等離子體密度時，我們假設了等離子體內(nèi)的電子溫度為2 eV，并依此進行了微波共振探針鞘層厚度的修正計算，鞘層厚度約為3λD.另外，我們對朗謬爾靜電探針的實驗數(shù)據(jù)進行了詳細的重復對比，并在電流飽和區(qū)利用對數(shù)法進行比較，增加了兩種測量方法在實驗測量方面的可信度.

3.2 朗繆爾探針測量的電子能量概率分布函數(shù)比較

圖3所示是在容性耦合Ar等離子體中摻入的O2，Cl2，SF6三種電負性氣體的流量從0 sccm增加到60 sccm時由朗繆爾探針測量得到的混合氣體等離子體EEPF的變化情況.

從圖3我們可以看出，未摻入電負性氣體時，Ar等離子體的EEPF分布呈現(xiàn)典型的雙溫Maxwellian分布，并具有明顯的冷、熱電子群.此時的冷電子群溫度Tec=1.84 eV，而熱電子群溫度Teh=5.38 eV.計算方法見3.3節(jié).這種冷、熱電子群的分布原因在于：熱電子由于具有較高的熱速度，能夠克服雙極電場進入振蕩的鞘層并與鞘層電場發(fā)生相互作用，參與射頻功率的吸收，并與背景氣體發(fā)生碰撞激發(fā)或電離，由此產(chǎn)生了大量的冷電子，而這些冷電子被雙極電場束縛在等離子體中央，所以在EEPF中表現(xiàn)為較高的低能電子分布.

圖2 等離子體電子密度的變化結果對比(X=O2，Cl2，SF6)

當逐步增加電負性氣體的流量時，等離子體的EEPF特征曲線的低能電子區(qū)顯示了明顯的下落趨勢，尤其對于SF6的電負性氣體而言，低能電子群的下降速度更快，即使加入比例很小的SF6氣體仍然會對Ar等離子體的電子能量分布產(chǎn)生重大影響.在Malyshev等[21]利用朗謬爾靜電探針測量容性模式下Cl2等離子體放電中，隨著放電氣壓的升高以及功率的降低，Cl2等離子體的EEPF由Maxwell分布向雙溫Maxwellian分布轉變，與Wang等[22]對O2的測量結果類似.在本實驗中，與之不同的是當電負性氣體摻入足夠量時，等離子體的EEPF曲線總能出現(xiàn)低能峰與高能峰的雙峰結構分布.另外，從Cl2和SF6的EEPF變化情況我們還可以發(fā)現(xiàn)，隨著電負性氣體流量的增加，高能峰所對應的電子能量值也隨之增大，并表現(xiàn)出了漂移特性.這種高能峰的漂移現(xiàn)象原因在于：在容性耦合等離子體中，共存兩種電子加熱機理即歐姆加熱和隨機加熱，在低氣壓條件下，由于電子平均自由程以及電子能量遲豫長度大于放電間隙，只有位于EEPF尾端的高能電子可以克服雙極勢場的束縛與振蕩的等離子體鞘層發(fā)生作用，此時等離子體的電子加熱主要是以電子在鞘層中的隨機加熱為主;當通入一定的電負性氣體后，負離子的加入大大降低了等離子體內(nèi)的電子密度，造成鞘層端的壓降減小，而體等離子體區(qū)由于電子密度下降導致了阻抗的增加從而造成其壓降升高，體等離子體區(qū)中的電子在一個增加的壓降中得以加速，使得體等離子體區(qū)內(nèi)的電子溫度升高，即所謂的體加熱.這種體加熱在EEPF特征曲線上即表現(xiàn)為高能峰，隨著電負性氣體摻入量的增加，電子密度的不斷下降，因而體加熱進一步增加，進而出現(xiàn)了高能峰的漂移現(xiàn)象.由此可知，看出電負性氣體對Ar等離子體內(nèi)部的電子密度與能量分布產(chǎn)生不可估量的影響.

圖3 (a)O2，(b)Cl2，(c)SF6摻入到Ar等離子體的電子能量概率分布函數(shù)的變化

3.3 朗繆爾探針測量的電子密度結果比較

利用(2)和(3)式，通過朗繆爾靜電探針測量得到的EEPF我們得到三種電負性氣體(O2，Cl2和SF6)摻入到容性耦合Ar等離子體中的的平均電子溫度Te與電子密度ne隨電負性氣體流量比的變化情況，如圖4所示.假定等離子體中的冷電子群定義為0—5 eV的電子，熱電子群定義為大于5 eV的電子，通過(2)和(3)式的積分給出冷熱電子群的電子溫度(Tec，Teh)與密度(nec，neh).圖4中的插圖為對應等離子體的冷熱電子群密度的比值隨電負性氣體流量比的情況.

從圖4可以看出，未加入電負性氣體前Ar等離子體的電子密度為8.92×109cm-3，在通入電負性氣體后，電子密度迅速下降，在圖4(c)中SF6通入時表現(xiàn)尤為明顯，僅僅通入1 sccm的SF6后，電子密度便迅速下降到2.48×109cm-3.出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于：在分子型的電負性氣體如SF6等與

等離子體中的電子發(fā)生非彈性碰撞過程中，SF6氣體除了通過氣體分子振動和轉動激發(fā)過程吸收電子能量外，還通過分子的離解大量吸收電子的能量，從而在等離子中產(chǎn)生大量的活性基團和負離子，這些非彈性碰撞的電子閾值能量通常小于9.8 eV[23]，顯然這些用于激發(fā)和離解的中能電子的大量消耗降低了用于離化的高能電子的獲得概率，造成了SF6分子進入等離子體后電子密度的急劇下降.在經(jīng)歷最初的突降后，隨著電負性氣體流量比的繼續(xù)增大，三種混合等離子體的電子密度變化趨勢均逐漸變緩，最后在通入流量為60 sccm、流量比為0.53時，O2/Ar等離子體的電子密度為2.99×109cm-3，約為SF6/Ar等離子體的電子密度1.31×109cm-3的兩倍.并且可以看出，在相同流量比下，O2/Ar等離子體的電子密度均要高于Cl2/Ar等離子體和SF6/Ar等離子體內(nèi)的電子密度.

從Chung等[9]的工作中我們可以發(fā)現(xiàn)，O2分解吸附速率常數(shù)的閾值能量約為4.7 eV，并且呈弱電負性，O2/Ar等離子體內(nèi)的負離子含量較低，所以電子密度相對于Cl2/Ar和SF6/Ar等離子體而言較大.同時從電子溫度曲線的對比我們也可以看出，O2/Ar等離子體的平均電子溫度符合Noguchi得到的結果[24]類似線性緩慢上升，而且幅度較小，有別于Cl2/Ar和SF6/Ar等離子體平均電子溫度的指數(shù)上升形式.最后在通入流量為60 sccm、流量比為0.53時，O2/Ar等離子體的平均電子溫度僅有4.57 eV，而Cl2/Ar等離子體的平均電子溫度為9.83 eV，SF6/Ar等離子體的平均電子溫度為7.53 eV.

圖4 (a)O2，(b)Cl2，(c)SF6摻入到Ar等離子體的Te與ne變化情況(插圖為三種混合等離子體冷、熱電子密度比隨流量比的變化)

另外，從三幅插圖中我們還可以發(fā)現(xiàn)，在未通入電負性氣體前，混合等離子體中冷電子密度nec=7.05×109cm-3明顯高于熱電子密度neh=1.71×109cm-3.在通入電負性氣體后，三種電負性等離子體的冷、熱電子密度比都隨著流量比的增加而下降.并且(a)中O2/Ar等離子體內(nèi)的下降趨勢最為緩慢，(b)中Cl2/Ar等離子體次之而(c)中SF6/Ar等離子體內(nèi)的冷、熱電子密度比則急劇下降.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于：電負性氣體尤其是強電負性的氣體的摻入會急劇降低等離子體的電子密度，從而造成冷、熱電子密度的迅速下降，同時電子密度的下降又伴隨體等離子體區(qū)的歐姆加熱加劇生成熱電子，所以熱電子密度下降趨勢緩于冷電子密度，從而冷、熱電子密度比隨著電負性氣體流量比的增加而迅速下降.

圖5 O2/Ar，Cl2/Ar和SF6/Ar等離子體電負度的比較

3.4 O2/Ar,Cl2/Ar和SF6/Ar等離子體的電負度對比

圖5是O2/Ar，Cl2/Ar和SF6/Ar等離子體的電負度隨流量比的變化情況.從圖5中，我們可以明顯看出同等流量比下SF6/Ar等離子體的電負性明顯強于Cl2/Ar和O2/Ar等離子體，并且隨著電負性氣體的增多，混合等離子體電負度呈上升趨勢.在分別通入60 sccm的電負性氣體后，SF6/Ar等離子體的電負度為3.1，Cl2/Ar等離子體的電負度為2.6，而O2/Ar等離子體的電負度只有約0.3.從實驗數(shù)據(jù)計算的到的電負度結果較為符合Franklin[25]的推論，O2具有弱電負性[26,27]，Cl2的電負性較強[28]，SF6為強電負性氣體[29].結合3.2和3.3節(jié)的EEPF分布函數(shù)與電子密度對比，可以發(fā)現(xiàn)電負度的增加伴隨著電子密度的下降，負離子的存在嚴重影響了等離子體內(nèi)的分布函數(shù)，并且是導致電子密度下降的重要因素.因此對于各類電負性氣體特性的研究對比非常重要.

4 結論

本文利用朗繆爾靜電探針對摻入了電負性氣體(O2，Cl2，SF6)的Ar等離子體進行診斷測量.實驗結果表明，在低氣壓放電單頻容性耦合放電Ar等離子體中，電子分布呈現(xiàn)典型的雙溫Maxwellian分布.隨著通入電負性氣體流量的增加，實驗測得的等離子體EEPF出現(xiàn)了高能峰位，由于體等離子體區(qū)的歐姆加熱加劇，高能峰出現(xiàn)了類漂移現(xiàn)象.等離子體內(nèi)的電子密度也由于電負性氣體的通入消耗了大量用于激發(fā)和離解的中能電子而急劇下降，等離子體內(nèi)的冷、熱電子密度比也隨之下降，尤其是在SF6/Ar等離子體中變化趨勢最為明顯.等離子體電子溫度隨著電負性氣體流量比的增加而呈上升趨勢.另外，通過同等條件下O2/Ar、Cl2/Ar和SF6/Ar等離子體電負度的對比，可以明顯看出SF6的電負性最強，Cl2次之，而O2的電負性最弱.電負性氣體中的負離子特性與等離子體的EEPF和電子密度、電子溫度變化息息相關，因此各類電負性氣體性質的研究比較對了解電負性氣體間特性非常有意義.

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