馬志斌 沈武林 吳俊 嚴(yán)壘 汪建華

(武漢工程大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北省等離子體化學(xué)與新材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430073)

(2012年4月23日收到;2012年7月31日收到修改稿)

1 引言

利用磁鏡場(chǎng)電子回旋共振(ECR)等離子體源中的離子在強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域的回旋運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)化學(xué)氣相沉積金剛石膜的拋光，相對(duì)于現(xiàn)有的離子束拋光技術(shù)，該方法具有拋光面積大、處理均勻等優(yōu)點(diǎn)[1-3].在普通的ECR等離子體裝置中，離子溫度較低，在通過(guò)縱向加速電極進(jìn)入強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)時(shí)，其回旋特征很弱，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石膜的選擇性刻蝕.通過(guò)磁電加熱能夠提高ECR等離子體中的離子能量.在利用梯度磁場(chǎng)對(duì)等離子體中的離子進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方向的調(diào)節(jié)時(shí)，較高的離子能量有利于將更多平行于磁場(chǎng)方向的能量轉(zhuǎn)移到垂直于磁場(chǎng)方向去，從而得到具有較強(qiáng)回旋特性的離子束.

磁電加熱是帶電粒子在交叉的磁電場(chǎng)中通過(guò)E×B漂移獲得能量的一種加熱方式[4-6].該加熱方式用于ECR等離子體中，一方面可以有效提高離子能量，另一方面可以對(duì)等離子體起到約束作用.在前期的研究中[7]，將圓環(huán)電極作為加熱電極，討論了圓環(huán)電極偏壓、磁場(chǎng)強(qiáng)度、氣壓等因素對(duì)磁電加熱過(guò)程以及加熱效率的影響.由于環(huán)電極加上陽(yáng)極偏壓后所產(chǎn)生的徑向電場(chǎng)對(duì)等離子體的約束有限，部分離子在向軸向下游的輸運(yùn)過(guò)程中，很容易碰撞腔壁而損失，這對(duì)于微波ECR等離子體的應(yīng)用是不利的.在本實(shí)驗(yàn)中，將圓環(huán)電極改進(jìn)為圓筒電極，對(duì)比了圓筒加熱和圓環(huán)加熱的區(qū)別，分析了采用圓筒電極加熱等離子體時(shí)所具有的優(yōu)點(diǎn).

2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)研究在自行研制的微波ECR等離子體裝置上完成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖中頻率為2.45 GHz的微波由矩形波導(dǎo)傳輸，經(jīng)天線耦合到圓波導(dǎo)，并通過(guò)石英窗口饋入到真空室內(nèi).磁場(chǎng)系統(tǒng)由四組沿軸向可調(diào)的線圈和三臺(tái)直流電源組成，真空室內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度由高斯計(jì)(LakeShore 410)測(cè)量.圖2為本實(shí)驗(yàn)中所采用的磁鏡場(chǎng)位形，其中石英窗口位于Z=0處.真空室的內(nèi)徑為10 cm.在真空室的側(cè)壁上設(shè)置了多個(gè)可以用于安放探針或環(huán)電極的窗口，在本實(shí)驗(yàn)中，用于固定圓筒電極的窗口的軸向位置分別位于15.3 cm和18 cm，圓筒末端位于Z=20 cm附近，探針位于Z=21 cm.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用的圓筒內(nèi)徑為8 cm，外徑為8.3 cm，長(zhǎng)度為12 cm.利用圓環(huán)電極加熱時(shí)，軸向位置為Z=19.8 cm，其內(nèi)徑為8 cm，外徑為8.2 cm，寬度為0.3 cm.真空系統(tǒng)由機(jī)械泵和400 L/S的渦輪分子泵組成.在實(shí)驗(yàn)中所使用的工作氣體為氧氣，經(jīng)過(guò)質(zhì)量流量控制器和進(jìn)氣孔導(dǎo)入真空室.

圖1 ECR等離子體裝置示意圖

加熱系統(tǒng)由加熱電極和直流電源組成，圖3為加熱系統(tǒng)與等離子體參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)示意圖.圖中直流電源為加熱電極提供陽(yáng)極偏壓，最大輸出電壓為1000 V，最大輸出功率為1000 W;型號(hào)為PAMM2/100G的靜電探針自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)為探針測(cè)量提供掃描電壓，該系統(tǒng)由程控電源、電阻器、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)放大器和存儲(chǔ)器組成，電源掃描電壓的范圍為-100—100 V.

圖2 磁場(chǎng)位形

在實(shí)驗(yàn)中，采用離子靈敏探針(ISP)測(cè)量ECR等離子體的離子溫度和密度[8-10].ISP由兩個(gè)同軸電極組成，外電極是屏蔽極，內(nèi)電極是離子收集極.本實(shí)驗(yàn)中所使用的ISP收集極為φ0.8 mm的鎢絲，屏蔽電極為內(nèi)徑為1.5 mm的中空不銹鋼管，屏蔽高度h可根據(jù)等離子體參數(shù)的變化自由調(diào)節(jié).該探針沿腔體徑向的深度可以調(diào)節(jié)，最大調(diào)節(jié)范圍為4 cm.

3 結(jié)果分析與討論

3.1 電極結(jié)構(gòu)對(duì)離子加熱的影響

在微波功率為800 W，氣壓為0.02 Pa，氧氣流量為2.8 sccm(1 sccm=1 mL/min)的條件下，將ISP設(shè)置在Z=21 cm的軸心處測(cè)量了離子溫度，研究了圓筒和圓環(huán)電極加熱時(shí)離子溫度隨陽(yáng)極偏壓的變化，結(jié)果如圖4所示.從圖中可以看到，采用圓筒或圓環(huán)電極加熱時(shí)離子溫度均隨陽(yáng)極偏壓的增大而增大.不同的是，當(dāng)陽(yáng)極偏壓從0 V增加到100 V時(shí)，采用圓筒加熱時(shí)的離子溫度從3.01 eV增加到9.52 eV，而采用圓環(huán)電極加熱時(shí)，離子溫度從2.71 eV增加到5.82 eV，即采用圓筒電極加熱時(shí)，離子溫度隨陽(yáng)極偏壓的變化幅度更大.以上結(jié)果表明，在同一陽(yáng)極偏壓下，采用圓筒電極比采用圓環(huán)電極更有利于提高離子溫度.

圖3 加熱系統(tǒng)與離子探針測(cè)量系統(tǒng)示意圖

圖4 圓筒和環(huán)加熱時(shí)離子溫度隨陽(yáng)極偏壓的變化

圖5 圓筒電極加熱模型

導(dǎo)致以上差別的原因在于圓筒電極具有更長(zhǎng)的陽(yáng)極鞘層區(qū).根據(jù)磁電加熱的原理，離子是在陽(yáng)極鞘層中通過(guò)E×B漂移獲得能量.陽(yáng)極鞘層位于加熱電極與等離子體之間，其厚度由離子德拜長(zhǎng)度決定，其長(zhǎng)度則與加熱電極的尺寸有關(guān).圓筒電極加熱的模型如圖5所示，圖中離子在磁鏡場(chǎng)中沿磁力線回旋運(yùn)動(dòng)到陽(yáng)極鞘層中被交叉的電磁場(chǎng)加熱.將圓筒作為加熱電極，大大提高了陽(yáng)極鞘層區(qū)的長(zhǎng)度，這一方面延長(zhǎng)了離子在陽(yáng)極鞘層中的加熱時(shí)間，另一方面也可以使更多的離子在向下游的輸運(yùn)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)到陽(yáng)極鞘層中被加熱.因此在同一陽(yáng)極偏壓下，圓筒電極加熱時(shí)的離子溫度更高.

圖6 加熱電源的VH-IH圖

另外，圓筒電極也有利于磁電加熱功率耦合到等離子體中，更有利于整體提高等離子體中離子的溫度.在實(shí)驗(yàn)中對(duì)比了圓筒和圓環(huán)電極加熱時(shí)，加熱電流與電壓的關(guān)系，結(jié)果如圖6所示.從圖中可知，在同一陽(yáng)極偏壓下，圓筒電極的加熱電流明顯大于圓環(huán)電極的加熱電流.這表明采用圓筒電極加熱時(shí)，其加熱功率更有利于耦合到等離子體中，即單位時(shí)間內(nèi)輸入等離子體中的能量較大，從而使離子溫度較大.

3.2 圓筒電極對(duì)離子溫度徑向分布的影響

在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，研究了圓筒電極對(duì)離子溫度徑向分布的影響，結(jié)果如圖7所示.圖7中ISP測(cè)量的軸向位置分別為Z=17 cm和Z=21 cm，其中Z=17 cm位于圓筒中部，Z=21 cm位于圓筒下游.從圖中可知，加熱前(VH=0 V)，兩個(gè)軸向位置的離子溫度相差不大，且徑向分布都比較均勻.加熱后(VH=100 V)，圓筒中部(Z=17 cm)各徑向位置的離子溫度上升幅度較大，R=0 cm處的離子溫度從3.3 eV上升到9.85 eV，R=4 cm處的離子溫度從3.25 eV上升到19.68 eV，其中靠近圓筒電極附近的離子溫度其增加幅度比較明顯.同時(shí)，圓筒下游(Z=21 cm)各徑向位置的離子溫度在加熱后也得到提高，且離子溫度的徑向分布比較均勻.以上結(jié)果表明，圓筒電極對(duì)腔體內(nèi)離子溫度的徑向分布具有較大的影響，其中圓筒電極中部的離子溫度徑向差異較大，靠近加熱電極附近的離子溫度幾乎是軸心處的兩倍，而圓筒電極下游的離子溫度徑向分布則比較均勻.

圖7 圓筒電極加熱時(shí)離子溫度的徑向分布

圓筒電極對(duì)離子溫度徑向分布的影響主要與離子的加熱過(guò)程有關(guān).根據(jù)前期的研究結(jié)果[7]，離子的整體加熱是通過(guò)離子在陽(yáng)極鞘層中的磁電加熱及被加熱的離子沿徑向的輸運(yùn)來(lái)完成的.陽(yáng)極鞘層主要存在于加熱電極附近，因此，在圓筒電極內(nèi)，靠近電極附近的離子溫度較大.而在圓筒電極下游離子溫度的提高主要是離子在上游的陽(yáng)極鞘層中得到加熱后輸運(yùn)到下游的結(jié)果.在向軸向下游輸運(yùn)過(guò)程中離子之間的碰撞，逐漸使徑向溫度差減小，從而使離子溫度的徑向分布比較均勻.

在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，將圓環(huán)電極置于Z=19.8 cm，ISP置于Z=21 cm，對(duì)比了圓筒和圓環(huán)電極加熱后離子溫度的徑向分布，結(jié)果如圖8所示.從圖中可知，采用圓筒電極加熱時(shí)各徑向位置的離子溫度相對(duì)于圓環(huán)電極加熱時(shí)增加的幅度更大，且離子溫度的徑向分布也更均勻.相同偏壓下，圓筒與圓環(huán)電極對(duì)離子溫度徑向分布的影響不同，是因?yàn)閳A筒電極加上陽(yáng)極偏壓后產(chǎn)生的鞘層區(qū)域較長(zhǎng)，鞘層中徑向向里的電場(chǎng)在加熱離子的同時(shí)，還能對(duì)離子起到約束作用，減少部分低溫離子因碰撞腔壁而造成的損失.在磁鏡場(chǎng)條件下，低溫離子容易受磁鏡的作用在磁鏡場(chǎng)中做往返回旋運(yùn)動(dòng).這些離子在往返回旋運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，均可以在陽(yáng)極鞘層中得到加熱，從而使各徑向位置的離子溫度提高.而圓環(huán)電極加熱時(shí)，其陽(yáng)極鞘層區(qū)域很小，只能對(duì)局部的離子加熱，導(dǎo)致圓環(huán)電極加熱后各徑向位置的離子溫度偏低.

圖8 加熱后離子溫度的徑向分布

3.3 圓筒電極對(duì)離子密度徑向分布的影響

圖9為分別采用圓筒和圓環(huán)電極加熱后，Z=21 cm處離子密度的徑向分布.首先，從各徑向位置離子密度的變化趨勢(shì)來(lái)看，當(dāng)圓筒上加上100 V的陽(yáng)極偏壓后，各徑向位置的離子密度均有所提高，其中R=0 cm處的離子密度從19.13×1016m-3增大到20.11×1016m-3，R=4 cm處的離子密度從4.36×1016m-3增大到6.24×1016m-3.當(dāng)圓環(huán)上加上100 V的陽(yáng)極偏壓后，R=0 cm處的離子密度從15.16×1016m-3增大到15.54×1016m-3，R=4 cm處的離子密度從2.64×1016m-3增大到3.21×1016m-3.以上結(jié)果表明，圓筒電極加熱時(shí)離子密度增大的幅度略大于圓環(huán)電極加熱.然而從加熱后離子密度的整體變化趨勢(shì)來(lái)看，其相對(duì)于離子溫度變化并不十分明顯.這是因?yàn)榇烹娂訜徇^(guò)程中，離子在交叉場(chǎng)中獲得的漂移速度與帶電粒子的質(zhì)量無(wú)關(guān).由于電子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子質(zhì)量，在獲得相同漂移速度的情況下，電子獲得的能量也遠(yuǎn)小于離子獲得的能量.由于等離子體主要靠電子與中性粒子的碰撞離化產(chǎn)生，而電子溫度在磁電加熱過(guò)程中的變化相對(duì)較小，所以離子密度在磁電加熱后變化幅度不大.

圖9 圓筒電極后離子密度的徑向分布

同時(shí)，從圖9中還可知，當(dāng)陽(yáng)極偏壓為100 V時(shí)，采用圓筒電極加熱時(shí)的各徑向位置的離子密度大于采用圓環(huán)加熱時(shí)的離子密度.這主要是因?yàn)樵贓CR等離子體腔室內(nèi)加入圓筒電極后，圓筒上會(huì)聚集大量的電子，并形成等離子體鞘層，該鞘層產(chǎn)生的徑向電場(chǎng)對(duì)等離子體具有約束作用，使等離子體更為集中，離子在向軸向下游的輸運(yùn)過(guò)程中因碰撞腔壁損失的離子減少，導(dǎo)致圓筒電極下游的離子密度提高.因此采用圓筒電極加熱時(shí)，有利于離子向軸向下游的輸運(yùn).

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)比圓筒和圓環(huán)電極對(duì)離子溫度和密度的影響，分析了采用圓筒電極加熱離子所具有的優(yōu)勢(shì).結(jié)果表明：在同一陽(yáng)極偏壓下，圓筒比圓環(huán)電極更有利于提高離子溫度;圓筒電極加熱時(shí)各徑向位置的離子溫度升高的幅度較大，且圓筒內(nèi)離子溫度的徑向分布不均勻，而圓筒下游的離子溫度徑向分布比較均勻;圓筒電極加熱時(shí)離子密度增大的幅度略大于圓環(huán)電極加熱，但離子密度在磁電加熱過(guò)程中整體的變化幅度很小;采用圓筒電極加熱時(shí)，有利于離子向軸向下游的輸運(yùn)，改善了離子的軸向均勻性.

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