楊郁 唐成雙 趙一帆 虞一青 辛煜

(蘇州大學(xué)物理與光電·能源學(xué)部,蘇州 215006)

甚高頻激發(fā)的容性耦合Ar+O2等離子體電負(fù)特性研究?

楊郁 唐成雙 趙一帆 虞一青 辛煜?

(蘇州大學(xué)物理與光電·能源學(xué)部,蘇州 215006)

激光誘導(dǎo)光致剝離,朗繆爾探針,電負(fù)性等離子體,電負(fù)度

1 引 言

低氣壓等離子體由于高度的化學(xué)活性、可調(diào)的離子通量和能量在微納電子工業(yè)的材料表面生長(zhǎng)、表面刻蝕與改性等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[1],但是襯底材料的物化差異性、沉積材料的選擇以及加工圖形的控制精度等需要將等離子體參數(shù)剪裁到合適的工藝窗口.在低氣壓等離子體中摻入特定的電負(fù)性氣體可以用來(lái)調(diào)節(jié)粒子種類(lèi)、通量和能量,不僅可以改變等離子體的化學(xué)特性,客觀上也微控著襯底材料表面的物理與化學(xué)的協(xié)同作用.

當(dāng)一種或幾種電負(fù)性氣體摻入到等離子體,并與等離子體中的電子發(fā)生諸如非彈性碰撞反應(yīng)后,會(huì)產(chǎn)生大量的負(fù)離子.負(fù)離子在一些領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛,例如,人們利用氫負(fù)離子源在如國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆高能聚變裝置中進(jìn)行有效的中性束注入加熱[2];在微電子工業(yè)的刻蝕工藝中負(fù)離子常用來(lái)輔助等離子體刻蝕,以降低襯底的充電效應(yīng),增強(qiáng)圖形的溝槽性能[3,4];高能離子注入用的粒子也通常是負(fù)離子束.低氣壓等離子體中產(chǎn)生的大量負(fù)離子在等離子體雙極電場(chǎng)的作用下,通常懸浮在等離子體內(nèi)或鞘層邊界附近[5],形成所謂的“夾心”結(jié)構(gòu),即中心的負(fù)離子區(qū)、外圍的正離子暈區(qū)和邊界離子鞘層區(qū)[6?8].負(fù)離子的存在不僅影響著鞘層邊界的離子通量[9]、促進(jìn)離子進(jìn)入鞘層[10],其與反應(yīng)性等離子體中的塵埃顆粒的形成密切相關(guān),也產(chǎn)生等離子體參量和輸運(yùn)不穩(wěn)定性引起的諸如電雙層、準(zhǔn)γ模等有趣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[11?13].顯然,電負(fù)性等離子體中的負(fù)離子特征以及空間分布值得深入探討與研究.

自20世紀(jì)30年代朗繆爾和莫特·史密斯發(fā)明靜電探針診斷方法以來(lái),該方法就一直在等離子體診斷中有著廣泛的應(yīng)用.但朗繆爾探針診斷比較成功的地方主要在低氣壓、非磁化和無(wú)負(fù)離子的電正性等離子體的應(yīng)用中[14].靜電探針在拓展到其他應(yīng)用領(lǐng)域,尤其是存在負(fù)離子的電負(fù)性等離子體時(shí),無(wú)論理論模型還是實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上都無(wú)法直接套用電正性等離子體的測(cè)量方法.因?yàn)樵陟o電探針應(yīng)用于電負(fù)性等離子體中時(shí),I-V特性曲線中的電子飽和電流相比于電正性等離子體而言往往表現(xiàn)為劇烈下降,采用常規(guī)的半對(duì)數(shù)斜率方法得到的電子溫度由于畸變的過(guò)渡區(qū)而變得相當(dāng)不可靠;而采用離子飽和電流求解離子密度時(shí),由于負(fù)離子對(duì)邊界鞘層的修飾也需要好的物理模型對(duì)玻姆判據(jù)做出修正.早在20世紀(jì)80年代,Braithwaite和Allen[15]對(duì)電負(fù)性等離子體的玻姆判據(jù)做了修正后指出:電負(fù)性等離子體的電負(fù)度可以通過(guò)球形探針I(yè)-V特性曲線中位于空間電位處的電子飽和電流與離子飽和電流的比值來(lái)確定.然而,Chabert等[9]卻發(fā)現(xiàn)Allen提出的理論模型并不能夠完美詮釋電負(fù)性等離子體的離子通量.對(duì)此他們提出了預(yù)鞘層區(qū)的非電中性假設(shè),給出了到達(dá)探針表面的正離子通量的表達(dá)式,并首次采用雙探針組合方法對(duì)SF6螺旋波等離子體進(jìn)行探針診斷,通過(guò)電子與離子飽和電流比值確定等離子體中的負(fù)離子分?jǐn)?shù)隨宏觀參量的演變情況.Shindo等[16]采用平面單探針測(cè)量比較法,即將參照氣體(如氬氣)等離子體的離子和電子飽和電流比值除以電負(fù)性混合氣體(如Ar/SF6)等離子體的離子和電子飽和電流比值,根據(jù)電中性條件,獲得電負(fù)性等離子體的負(fù)離子分?jǐn)?shù)、負(fù)離子密度等隨電負(fù)性氣體SF6流量的變化.然而,探針表面的鞘層因子(其中,t+和t?分別為正、負(fù)離子溫度,ηB為玻姆電壓)會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響,該鞘層因子不僅與正、負(fù)離子溫度有關(guān),也與玻姆電壓等密切相關(guān),而計(jì)算過(guò)程中對(duì)離子平均質(zhì)量的判斷也需要使用四極質(zhì)譜儀,質(zhì)譜儀弱的空間分辨也無(wú)形中加大了測(cè)量的不確定性.如何得到一個(gè)準(zhǔn)確的診斷結(jié)果以對(duì)等離子體做出明確的解釋一直是人們不斷研究的課題,其中主動(dòng)非侵入式的激光診斷技術(shù)正日益受到人們的關(guān)注.

最先由Bacal等[17?19]提出了用于氫離子源中負(fù)離子診斷測(cè)量的朗繆爾探針輔助激光誘導(dǎo)光致剝離(LIPD)技術(shù),研究了探針位置和探針偏壓等因素對(duì)光電流信號(hào)的影響.Sirse等[20]采用懸浮發(fā)射探針?lè)椒y(cè)量等離子體空間電位和負(fù)離子溫度的特征演變;Conway等[21]利用發(fā)卡共振探針?lè)椒ńY(jié)合LIPD手段詳細(xì)研究了負(fù)離子光致剝離后光電子密度的時(shí)間演變規(guī)律,并利用探針處于光束中不同位置估算等離子體中負(fù)離子的運(yùn)動(dòng)速率;德國(guó)的Meichsner小組[13,22]采用高斯束傳輸?shù)奈⒉ǜ缮娣椒▉?lái)探測(cè)激光解析的光電子信號(hào),以研究容性耦合氧氣等離子體中的模式轉(zhuǎn)變.眾多實(shí)驗(yàn)研究表明LIPD技術(shù)是診斷電負(fù)性等離子體負(fù)離子密度的比較可靠的技術(shù)之一.

工業(yè)上一般用13.56 MHz激發(fā)頻率激發(fā)的等離子體來(lái)對(duì)材料進(jìn)行加工,這個(gè)頻率激發(fā)的等離子體分布均勻,但是產(chǎn)生的等離子體密度較低.基于電子密度與激發(fā)頻率的依賴關(guān)系,我們可以通過(guò)提高激發(fā)頻率來(lái)提高等離子體電子密度.40.68 MHz的激發(fā)頻率相比于13.56 MHz的激發(fā)頻率而言,其產(chǎn)生的等離子體電子密度有較大的提升[23],并且40.68 MHz的激發(fā)頻率無(wú)論在光伏領(lǐng)域的大面積等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積氮化硅減反膜領(lǐng)域還是在微電子的介質(zhì)膜刻蝕領(lǐng)域均是一個(gè)優(yōu)選方案.在先前的工作中,我們報(bào)道了電負(fù)性氣體的摻入會(huì)對(duì)Ar等離子體參數(shù)產(chǎn)生影響[24].本文重點(diǎn)采用朗繆爾探針與LIPD技術(shù)相結(jié)合對(duì)40.68 MHz激發(fā)的容性耦合Ar/O2電負(fù)性等離子體進(jìn)行了診斷測(cè)量,著重研究等離子體電負(fù)度與射頻輸入功率、放電氣壓之間的依賴關(guān)系,給出了等離子體電負(fù)度隨軸向位置的分布情況.

2 容性耦合等離子體實(shí)驗(yàn)裝置及LIPD診斷方法

2.1 容性耦合等離子體的實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示的容性耦合等離子體反應(yīng)裝置已在文獻(xiàn)[25]中有所描述.反應(yīng)腔器的內(nèi)徑為350 mm,內(nèi)部裝有兩個(gè)平行板電極,上下電極直徑均為220 mm.施加的射頻電源由一個(gè)信號(hào)源和一個(gè)功率放大器組成,通過(guò)一個(gè)阻抗匹配器連接到通有水循環(huán)的上電極,下電極接地.匹配網(wǎng)絡(luò)是L形的,包括兩個(gè)可調(diào)電容和一個(gè)固定電感.所有的射頻傳輸線都采用鍍銀的同軸電纜并盡可能地短,這樣可以減少射頻功率在傳輸過(guò)程中的損耗.上極板輸入的射頻頻率為40.68 MHz.實(shí)驗(yàn)中將Ar與O2的流量分別設(shè)置為76 sccm和4 sccm,通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)輸入到反應(yīng)腔室中.腔室的抽氣系統(tǒng)由分子泵和機(jī)械泵聯(lián)合組成,本底真空為5×10?3Pa.

實(shí)驗(yàn)中使用的激光器是Nd:YAG激光器(Qsmart 850),選擇的波長(zhǎng)為532 nm,最大脈沖能量密度在580 mJ/cm2左右.脈沖激光經(jīng)由透過(guò)率超過(guò)90%的石英玻璃窗口進(jìn)入電負(fù)性等離子體中,并從另外一個(gè)石英窗口穿出照射到功率計(jì)上.激光束直徑為9 mm,脈沖寬度為6 ns,激光脈沖頻率為10 Hz.將探針設(shè)置成L形,探針的主體部分位于光束中心并平行于光束軸線,探針直徑為0.15 mm,長(zhǎng)度為8 mm.入射窗口前放置有直徑為1 mm的阻擋絲,使探針位于阻擋絲的陰影區(qū)內(nèi),以降低高能脈沖激光對(duì)探針表面的消融現(xiàn)象[26].

施加有正偏壓的探針電流信號(hào)采集示意圖也顯示在圖1中,探針直接與阻值為4.7 k?的定值電阻相連,由+150 V可調(diào)直流電源提供正偏壓.電源兩端跨接了500μF的電容以避免射頻信號(hào)對(duì)直流電源的干擾.帶寬為500 MHz的數(shù)字示波器對(duì)探針信號(hào)進(jìn)行采集,由此得到探針實(shí)測(cè)電流數(shù)據(jù).在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,氣壓維持在2.0—12.0 Pa范圍內(nèi)變化,射頻輸入功率在50—300 W范圍內(nèi)變化.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)40.68 MHz激發(fā)的容性耦合O2等離子體放電裝置及激光誘導(dǎo)剝離診斷示意圖Fig.1.(color online)40.68 MHz excited capacitively coupled O2plasma discharge device and laser induced photo-detachment diagnosis.

2.2 激光誘導(dǎo)負(fù)離子光致剝離診斷方法

當(dāng)特定波長(zhǎng)的激光束輻照進(jìn)入等離子體時(shí),若光子能量高于負(fù)離子的電子親和勢(shì),照射區(qū)域內(nèi)負(fù)離子的外層電子則會(huì)被光子激發(fā)剝離,其反應(yīng)式可表示為:hν+A?→A+e.此時(shí),若將朗繆爾探針置于激光輻照中心區(qū)域,探針再施加一定的正偏壓后則會(huì)收集到這些剝離的光電子,通過(guò)解析探測(cè)到的電信號(hào)就可以間接演繹出負(fù)離子密度乃至負(fù)離子溫度的空間分布[19].

O2容性耦合等離子體中,電子與氧氣分子通過(guò)分解吸附等非彈性碰撞形式生成各種負(fù)離子,主要成分有三者的電子親和勢(shì)分別為1.46,0.44和2.1 eV.有研究表明,在容性耦合氧氣等離子體中,多原子氧負(fù)離子相對(duì)于單原子氧負(fù)離子而言占比較少,O?負(fù)離子占比往往超過(guò)了90%[27?29].本實(shí)驗(yàn)中我們選擇了Nd:YAG激光器的倍頻輸出,其波長(zhǎng)為532 nm,對(duì)應(yīng)的光子能量為2.33 eV,也就是說(shuō),在保證激光脈沖能量密度足夠大的情況下,脈沖激光進(jìn)入到等離子體的輻照區(qū)域內(nèi)負(fù)離子應(yīng)能夠完全剝離出光電子.給位于光束路徑方向上的朗繆爾探針施加高于等離子體空間電位的偏壓時(shí),探針會(huì)收集剝離出來(lái)的電子電流?Ie,把收集到的負(fù)離子電子電流?Ie與探針收集到的背景電子電流Idc進(jìn)行比較,通過(guò)關(guān)系式我們就可以得到負(fù)離子密度與電子密度的關(guān)系,其中,n?與ne分別是負(fù)離子密度和電子密度,飽和比值也代表著等離子體的電負(fù)度[30].這種方法的使用需要對(duì)脈沖激光輻照后的等離子體做以下兩個(gè)假設(shè)[31]:其一,激光剝離后的光電子與背景電子之間能迅速熱化;其二,背景電子不受激光脈沖以及電正性通道所引發(fā)的二次干擾的影響.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 激光誘導(dǎo)負(fù)離子剝離電子的探針信號(hào)解析

探針收集電子的行為與探針偏壓存在強(qiáng)烈的依賴關(guān)系,尤其更需要清晰地認(rèn)識(shí)納秒脈沖激光輻照等離子體之后的光電子收集行為.圖2是在摻5%O2的容性耦合Ar等離子體中實(shí)際測(cè)量得到的探針電流信號(hào)隨探針偏壓變化的典型情況,射頻電源的激發(fā)頻率為40.68 MHz,探針偏壓從0 V變化到75 V,輸入的射頻功率為150 W,放電氣壓為2.0 Pa,電極間距為50 mm.脈沖激光的輻照能量密度為500 mJ/cm2,光斑直徑為9 mm.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)氣壓為2.0 Pa、功率為150 W時(shí),激光脈沖輻照后的探針電流信號(hào)隨探針正偏壓的變化Fig.2.(color online)Variation of the probe current signal with different probe bias at 2.0 Pa and 150 W.

從圖2可以看出,探針未施加偏壓的情況下,脈沖激光輻照之后的探針收集電流呈現(xiàn)出快速下降、到達(dá)極值后又快速上升的浪涌尖峰信號(hào)特征.而當(dāng)探針偏壓逐步增大時(shí),浪涌信號(hào)極值幅度不斷減小,浪涌尖峰信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間位置似乎沒(méi)有變化.當(dāng)探針偏壓超過(guò)45 V時(shí),原本向下的浪涌信號(hào)正逐步被一個(gè)向上的寬幅凸起所替代,另外在凸起的左側(cè)位置還有一個(gè)小小的尖峰,如圖中方框所示.針對(duì)這些現(xiàn)象我們嘗試做如下解釋.

探針置入等離子體中時(shí),由于電中性條件,必然在探針表面形成一個(gè)負(fù)的懸浮電位,在摻入少量O2的電負(fù)性Ar等離子體中,該懸浮電位略小于5倍的電子溫度[32].因此,當(dāng)一束高能脈沖激光輻射進(jìn)入等離子體內(nèi)部時(shí),光柱區(qū)域內(nèi)的負(fù)離子被光子剝離后產(chǎn)生出大量的光致剝離電子[19],相對(duì)于空間電位而言,此時(shí)的探針處于負(fù)電位狀態(tài),這些光電子在反向電場(chǎng)的作用下快速遠(yuǎn)離探針,從而使得探針電流曲線瞬間呈現(xiàn)出一個(gè)向下的浪涌尖峰,電子的逃逸也使得光柱區(qū)域邊界附近產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)正外負(fù)的電雙層結(jié)構(gòu)[31];除了光電子剝離反應(yīng)之外,光柱區(qū)域內(nèi)還會(huì)發(fā)生諸如低能電子與正離子發(fā)生復(fù)合反應(yīng)、低能電子的逃逸以及電子與中性粒子結(jié)合產(chǎn)生新的負(fù)離子[33]等過(guò)程.另外,光柱區(qū)邊界的電雙層結(jié)構(gòu)促進(jìn)柱區(qū)外的負(fù)離子也相繼緩慢地進(jìn)入到柱區(qū)內(nèi)[34],使得電流曲線呈現(xiàn)出一個(gè)緩慢的恢復(fù)過(guò)程,這個(gè)時(shí)間約為幾個(gè)微秒,這部分區(qū)域稱為恢復(fù)區(qū);最終,等離子體恢復(fù)至穩(wěn)態(tài).

當(dāng)探針偏壓增加到15 V時(shí),探針表面的懸浮電位被逐步抵消,原本向下的浪涌尖峰的峰高也開(kāi)始變淺.而當(dāng)偏壓為60 V時(shí),探針收集的信號(hào)則變成了一個(gè)正向的寬波包.在進(jìn)一步增加探針電壓到70 V時(shí),波包的高度也隨之增加,但半高寬度未見(jiàn)增加.探針信號(hào)隨探針偏壓的變化從向下的浪涌尖峰到寬波包的演變行為主要是由于等離子體空間電位與探針偏壓之間的電勢(shì)差導(dǎo)致的.探針偏壓為15 V時(shí)與等離子體空間電位之間的電勢(shì)差比未加偏壓時(shí)的電勢(shì)差小,因而降低了電子的逃逸速度,浪涌峰值顯然會(huì)逐漸減小.當(dāng)探針超過(guò)該實(shí)驗(yàn)條件下的等離子體空間電位(約45 V)時(shí),正向波包開(kāi)始快速上升.我們注意到在波包左側(cè)出現(xiàn)一個(gè)小的肩峰(如圖2中的方框所示).Briant和Bradley[35]也曾注意到這個(gè)行為,但他們并沒(méi)有對(duì)此做出解釋.我們認(rèn)為左側(cè)的小肩峰可能是由于流向探針的高能電子被探針收集所致.另外,波包到達(dá)峰值的過(guò)程較為平緩,這個(gè)峰值即意味著激光完全剝離負(fù)離子的光致電流,通過(guò)這個(gè)峰值就能得到等離子體的電負(fù)度和負(fù)離子密度等參量[19].值得一提的是,高偏壓下的正向峰值出現(xiàn)的位置比低偏壓下的反向尖峰出現(xiàn)的位置晚很多,且波包的遲豫時(shí)間也較高(約4μs),造成兩者差異的原因可能在于:探針未施加偏壓時(shí)的電子擴(kuò)散通量的變化率與電場(chǎng)漂移通量的變化率相同,而探針施加超過(guò)等離子體空間電位的偏壓時(shí),電子擴(kuò)散通量的變化率與電場(chǎng)漂移通量的變化率正好相反.

3.2 容性耦合Ar/O2等離子體的電負(fù)度與射頻功率和放電氣壓的依賴關(guān)系

在測(cè)量容性耦合Ar/O2等離子體的電負(fù)度時(shí),需要將探針偏壓調(diào)整到高于等離子體空間電位,因此確切地知道等離子體的空間電位大小很有必要.通過(guò)朗繆爾探針的電流-電壓特性曲線可以計(jì)算得到等離子體空間電位的大小,如斜率法,即過(guò)渡區(qū)和飽和電子電流區(qū)斜率的交點(diǎn)測(cè)量,再如伏安曲線的二階導(dǎo)數(shù)測(cè)量法等.在我們以前的工作中曾報(bào)道了利用脈沖激光輻照下負(fù)離子剝離的光電子電流信號(hào)曲線隨探針偏壓的變化規(guī)律來(lái)判斷等離子體空間電位的經(jīng)驗(yàn)方法,這種經(jīng)驗(yàn)方法與常規(guī)的朗繆爾探針?lè)椒ǖ玫降臏y(cè)量結(jié)果是一致的[30].

圖3(a)和圖3(b)分別為放電氣壓為2.0 Pa時(shí)對(duì)應(yīng)不同射頻輸入功率的η和Idc隨探針偏壓的變化情況,η值的正負(fù)與非平衡態(tài)下電子的流動(dòng)方向有關(guān).η值為負(fù),表示光致剝離電子遠(yuǎn)離探針,這主要是由于探針表面的懸浮電位排斥電子或者施加到探針上的偏壓低于等離子體空間電位所致,此時(shí)的?Ie是反向尖峰的峰值,也就是說(shuō),η值為負(fù)時(shí)的光致剝離電子并未完全被探針吸收,那么η值也就不是電負(fù)度,對(duì)η值為負(fù)的研究并沒(méi)有太大的實(shí)際意義;η值為正,表示光致剝離電子被探針?biāo)占?隨著施加到探針上的偏壓升高,探針更容易收集到電子,當(dāng)施加到探針上的偏壓達(dá)到一定值時(shí),探針幾乎將區(qū)域內(nèi)所有的電子進(jìn)行收集,也就是說(shuō)η值將趨于一個(gè)飽和值,該飽和值即為所要測(cè)量的等離子體電負(fù)度,而拐點(diǎn)位置所對(duì)應(yīng)的探針偏壓可近似認(rèn)為對(duì)應(yīng)于等離子體空間電位.從圖3(b)不難看出,背景電子流隨著射頻輸入功率的增加而增大,這主要是由于功率的增強(qiáng)導(dǎo)致背景電子密度增加的原因,在探針上的施加偏壓逐步提高時(shí),收集到的背景電子電流也相應(yīng)地增大,主要是由于探針表面收集到的電子數(shù)密度不斷增加所致.而當(dāng)偏壓高于等離子體空間電位時(shí),相對(duì)于周?chē)碾娮佣?探針表面拒斥場(chǎng)正轉(zhuǎn)變?yōu)槲龍?chǎng),收集到的無(wú)論背景電子數(shù)還是負(fù)離子剝離電子數(shù)密度不再增加,因而導(dǎo)致了圖3(a)中η比值趨向飽和.從圖3(a)中我們不難看出,拐點(diǎn)的位置隨著射頻輸入功率的增加而向右移,也就是說(shuō)空間電位隨著功率的增加而增大,同時(shí)等離子體電負(fù)度隨放電功率的上升也呈下降的趨勢(shì).

圖3 (網(wǎng)刊彩色)當(dāng)氣壓為2.0 Pa時(shí),不同射頻功率下(a)η和(b)Idc隨探針偏壓的變化Fig.3. (color online)Variation of(a)η and(b)Idcwith different probe bias under different radiofrequecy power and discharge pressure at 2.0 Pa.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)等離子體電負(fù)度隨射頻輸入功率、放電氣壓的變化Fig.4.(color online)Dependence of the plasma electronegativity on radio frequency input power with different discharge pressure.

為進(jìn)一步了解摻入5%O2容性耦合Ar等離子體的電負(fù)特性,我們?cè)敿?xì)記錄了不同射頻輸入功率和放電氣壓下等離子體電負(fù)度的變化情況,如圖4所示.從圖4可以發(fā)現(xiàn),正如前面所提到的,等離子體電負(fù)度隨著射頻輸入功率增加而減小,而等離子體電負(fù)度隨放電氣壓的增加而上升.最高的等離子體電負(fù)度(5.05)發(fā)生在射頻功率為50 W和放電氣壓為12.0 Pa時(shí);而最低的等離子體電負(fù)度(0.98)則發(fā)生在位于射頻功率為300 W和放電氣壓為2.0 Pa的情況下.等離子體電負(fù)度的變化趨勢(shì)與Dodd等[26]和Conway等[21]報(bào)道的趨勢(shì)是一致的,盡管產(chǎn)生等離子體的方法并不相同.Dodd等[26]使用探針輔助下的LIPD來(lái)測(cè)量摻10%O2的直流磁控濺射Ar等離子體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)放電氣壓為10 mTorr(1 Torr=1.33322×102Pa)而磁控濺射功率從50 W上升到600 W時(shí),電子密度則從2.5×1015m?3線性上升至3×1016m?3,而等離子體的電負(fù)度由0.8降低到0.06.Conway課題組[21]利用共振發(fā)卡探針與LIPD相結(jié)合的技術(shù)對(duì)感應(yīng)耦合氧等離子體中的電負(fù)特性進(jìn)行了測(cè)量,他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)放電氣壓保持在30 mTorr而射頻功率從100 W上升至500 W時(shí),等離子體的電負(fù)度從0.6下降至0.3左右.射頻輸入功率的增大促進(jìn)了電負(fù)性等離子體中的電子濃度不斷升高,電子與分子的非彈性碰撞產(chǎn)生的負(fù)離子密度也會(huì)相應(yīng)增加,但由于電子密度的增加速率大于負(fù)離子密度的增加速率[36],也就導(dǎo)致了等離子體電負(fù)度隨功率的上升而不斷下降的現(xiàn)象.放電氣壓對(duì)等離子體電負(fù)度的影響也較大,放電氣壓的增大導(dǎo)致了粒子間碰撞加劇,使得電子的平均碰撞自由程下降,降低電子從電場(chǎng)獲得的能量,低能電子密度就有增多的趨勢(shì),這使得3.3節(jié)中的反應(yīng)方程(1)和(2)更易于發(fā)生,氣體分子與電子碰撞離解產(chǎn)生負(fù)離子的概率增多,電子密度與負(fù)離子密度的此消彼長(zhǎng)使得等離子體電負(fù)度隨氣壓的增加而增大.

3.3 等離子體電負(fù)度的軸向分布

為記錄等離子體電負(fù)度隨軸向位置的變化,我們?cè)O(shè)定兩極板間距為34 mm,朗繆爾探針針尖位置固定在電極板的軸心處.通過(guò)調(diào)節(jié)上、下極板的位置,就可以得到探針距離兩極板的軸向位置情況.朗繆爾探針測(cè)量過(guò)程中,測(cè)量間隔為2 mm,射頻輸入功率從50 W變化到200 W,氣壓則從2.0 Pa變化到12.0 Pa.圖5分別是放電氣壓為2.0,6.0和12.0 Pa時(shí),不同射頻輸入功率下的等離子體電負(fù)度軸向分布情形.從圖5我們不難發(fā)現(xiàn),由于非對(duì)稱電極分布特性,等離子體電負(fù)度隨軸向位置并不呈中心對(duì)稱分布.盡管我們?cè)谖闹杏辛嗣鞔_的說(shuō)明,即上下兩個(gè)電極有相同的直徑尺寸(220 mm),但由于下極板和器壁均處于接地狀態(tài),因此,實(shí)際的射頻放電行為是一個(gè)典型的非對(duì)稱容性耦合放電模式,我們粗略估計(jì)了功率電極和接地電極的面積比值約為1:4.1.這種面積的不對(duì)稱影響著電極表面的偏壓大小其中,V1和A1(V2,A2)分別是功率電極(接地電極)的偏壓和面積,γ為大于1的常數(shù)),偏壓的不同也決定了離子撞擊極板形成的二次電子的出射產(chǎn)額的不同.這些二次電子從鞘層電場(chǎng)中獲得能量后與背景氣體分子發(fā)生非彈性碰撞,這些二次電子的行為以及體電子在鞘層邊界區(qū)的無(wú)碰撞加熱行為影響著負(fù)離子的動(dòng)力學(xué)機(jī)理.顯然,電負(fù)度的軸向變化會(huì)受到不對(duì)稱放電模式的影響.在所考慮的放電參量范圍內(nèi),靠近功率電極的電負(fù)度普遍高于靠近接地電極的情形約1—4倍.等離子體電負(fù)度的最低點(diǎn)似乎位于等離子體放電的中心位置.

低氣壓Ar/O2等離子體放電條件下,低能電子由于雙極電場(chǎng)的作用往往局域在等離子體放電中心[37],而位于鞘層邊界附近的高能電子在高頻振蕩的鞘層電場(chǎng)的作用下則以隨機(jī)加熱方式獲得能量,并反彈進(jìn)入到體等離子體區(qū).高能電子反彈進(jìn)入體等離子體區(qū)的同時(shí),也與中性原子或分子發(fā)生各種非彈性碰撞過(guò)程,這些碰撞行為尤其是電子與中性分子的分解附著形成的負(fù)離子的行為不僅影響著鞘層結(jié)構(gòu)特性,也深刻地影響著電負(fù)性Ar/O2容性耦合等離子體的電負(fù)度.Ar/O2等離子體中氧負(fù)離子相關(guān)的主要過(guò)程有如下五種路徑:1)電子與基態(tài)氧氣分子和亞穩(wěn)態(tài)氧氣分子分解吸附引起的氧負(fù)離子生成過(guò)程,即反應(yīng)式(1)和(2),其電子能量閾值分別為4.2 eV[38,39]和3.22 eV[40,41];2)氧負(fù)離子與基態(tài)氧氣分子、亞穩(wěn)態(tài)氧氣分子和基態(tài)氧原子O(3P)碰撞剝離而損失氧負(fù)離子的過(guò)程,即反應(yīng)式(3),(4)和(5).

圖5 (網(wǎng)刊彩色)氣壓分別為2.0,6.0和12.0 Pa時(shí)不同功率下等離子體電負(fù)度的軸向分布Fig.5.(color online)Axial distribution of plasma electronegativity with different radio-frequency power at 2.0,3.0 and 12.0 Pa,respectively

從這五種反應(yīng)路徑中不難發(fā)現(xiàn),電子與基態(tài)分子碰撞產(chǎn)生負(fù)離子的過(guò)程和負(fù)離子與亞穩(wěn)態(tài)基團(tuán)碰撞產(chǎn)生電子或負(fù)離子消失的過(guò)程是一對(duì)競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程.電子往往在鞘層附近獲得能量,因而反應(yīng)式(1)和(2)更容易在鞘層邊界附近進(jìn)行,這也導(dǎo)致了大量負(fù)離子的產(chǎn)生,這是所觀測(cè)的電負(fù)度在鞘層位置較高的原因之一.另外,反應(yīng)路徑也揭示了低功率條件下電負(fù)度較高的原因,實(shí)際上低功率條件下反應(yīng)路徑(1)和(2)占據(jù)了主導(dǎo)地位,而電子與基態(tài)碰撞產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)密度較低,因而亞穩(wěn)態(tài)與負(fù)離子碰撞的電子產(chǎn)生過(guò)程或者負(fù)離子消失過(guò)程較少,這些行為決定了在低射頻功率條件下電負(fù)度呈現(xiàn)較高的數(shù)值.

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用探針輔助的LIPD技術(shù)對(duì)40.68 MHz激發(fā)的摻5%O2容性耦合Ar等離子體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,分析了等離子體電負(fù)度與射頻輸入功率、實(shí)驗(yàn)氣壓之間的依賴關(guān)系以及放電參量對(duì)等離子體電負(fù)度軸向分布的影響.在激光脈沖誘導(dǎo)負(fù)離子剝離的條件下,改變施加到探針上的偏壓,分析了不同探針偏壓下的探針收集信號(hào)特性,并根據(jù)探針偏壓與探針收集信號(hào)之間的依賴關(guān)系來(lái)解析等離子體電負(fù)度.射頻功率的增加導(dǎo)致了電子密度的上升速率超過(guò)了負(fù)離子,從而使得等離子體的電負(fù)度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).而放電氣壓的上升促使電子與基態(tài)氧氣分子的碰撞吸附引起的負(fù)離子密度的增加,致使電負(fù)度呈現(xiàn)增大趨勢(shì).由于電極的非對(duì)稱分布,等離子體電負(fù)度隨軸向位置的變化并不呈中心對(duì)稱分布.高能電子與基態(tài)或激發(fā)態(tài)氧氣分子的碰撞吸附的負(fù)離子產(chǎn)生機(jī)理和負(fù)離子與基態(tài)或激發(fā)態(tài)氧氣分子以及基態(tài)氧原子的碰撞解吸附的負(fù)離子消失機(jī)理之間的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng),使得電負(fù)度在鞘層邊界附近處較高,而在等離子體放電中心處較低.

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Electronegativity of capacitively coupled Ar+O2plasma excited at very high frequency?

Yang Yu Tang Cheng-Shuang Zhao Yi-Fan Yu Yi-Qing Xin Yu?

(College of Physics,Optoelectronics and Energy,Soochow University,Suzhou 215006,China)

28 April 2017;revised manuscript

21 June 2017)

By using pulsed laser induced detachment technique assisted with a Langmuir probe,the electronegative characteristics of the capacitively coupled Ar plasma doped with 5%O2are studied in this paper.We first focus on the electrical signal of the probe after laser pulse has induced negative ion detachment,and then analyze characteristics of the probe signal with the probe bias below or above the plasma space potential.When the bias is set to be lower than the plasma potential,the probe signal usually shows a downward surge signal.As the bias is higher than the plasma potential,the main characteristics of the signal takes on an upward wide wave packet.The evolution behavior of the probe signal with bias from the downward surge valley to the upward wide wave packet might be due to the potential difference between the plasma space potential and the probe bias voltage.Furthermore,it shows that the position of the upward peak appears later than that of the downward surge valley,which may be related to the changing of the rate of the electron diffusion flux and the electric field drift flux.According to the dependence of probe collection signal on bias,the electronegativity describing the Ar+O2plasma electronegative property is de fined as saturation ratio of electron current after pulsed laser radiation to that of collection probe at a potential above plasma spatial potential.Plasma electronegativity is diagnosed with discharge pressure,radio-frequency(RF)input power and axial position.The experimental results show that the electronegativity of plasma decreases with input RF power increasing.As the gas pressure is kept at 12.0 Pa,the plasma electronegativity decreases from 5.05 to 0.98 with RF input power increasing from 50 to 300 W.It also shows an increasing trend of electronegativity with plasma discharge pressure increasing.Due to asymmetrical distribution of electrodes,the plasma electronegativity also takes on asymmetric one with respect to the axial position.In our experiments,the electronegativity near the power electrode shows about 1–4 times higher than that near the ground electrode,the lowest point of the plasma electronegativity seems to be located in the center of the plasma discharge.This may be related to the dynamics of the secondary electrons emitted from electrode and the competition processes between negative ion production in collisional dissociation of oxygen molecules and the losses of high energy electron and negative ion in collisional detachment of negative ion with oxygen molecule.

laser induced photo-detachment,Langmuir probe,electronegative plasma,electronegativity

PACS:52.70.Nc,52.80.Pi,52.80.VpDOI:10.7498/aps.66.185202

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.11675117).

?Corresponding author.E-mail:yuxin@suda.edu.cn

(2017年4月28日收到;2017年6月21日收到修改稿)

利用探針輔助的脈沖激光誘導(dǎo)負(fù)離子剝離診斷技術(shù)對(duì)摻入5%O2的容性耦合Ar等離子體電負(fù)特性進(jìn)行了診斷研究.首先詳細(xì)解析了脈沖激光剝離后探針的電信號(hào),分析了探針偏壓在低于或高于空間電位下的探針收集信號(hào)特征;根據(jù)探針偏壓與探針收集信號(hào)之間的依賴關(guān)系,用來(lái)描述Ar+O2等離子體電負(fù)特性的等離子體電負(fù)度被定義為脈沖激光剝離出的電子電流與偏壓高于空間電位的探針收集到的背景電子電流的飽和比值,并對(duì)等離子體電負(fù)度隨放電氣壓、射頻功率以及軸向位置的變化進(jìn)行了診斷測(cè)量.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明等離子體的電負(fù)度隨著射頻功率的增加而減小、隨著放電氣壓的上升而變大;由于非對(duì)稱電極的分布特性,在軸向方向上靠近功率電極時(shí)等離子體電負(fù)度有升高的趨勢(shì),這種趨勢(shì)可能與鞘層邊界附近二次電子的動(dòng)力學(xué)行為以及負(fù)離子的產(chǎn)生與消失過(guò)程有關(guān).

10.7498/aps.66.185202

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):11675117)資助的課題.

?通信作者.E-mail:yuxin@suda.edu.cn