利用微波共振探針對(duì)40.68MHz單射頻容性耦合SF6、Cl2、O2/Ar電負(fù)性等離子體電子密度進(jìn)行了診斷測(cè)量。首先，將微波共振探針在Ar等離子體中的測(cè)量結(jié)果與朗繆爾探針結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確定微波共振探針精確測(cè)量的實(shí)用范圍；其次，運(yùn)用微波共振探針的測(cè)量方法詳細(xì)研究了放電參量對(duì)電負(fù)性容性耦合等離子體電子密度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電負(fù)性氣體如SF6、Cl2、O2摻入到Ar等離子體中，均大幅度降低了等離子體的電子密度，強(qiáng)電負(fù)性氣體的摻入對(duì)電子密度的下降尤為明顯，隨著電負(fù)性氣體的不斷摻入，電子密度趨于穩(wěn)定值。文中也解釋了射頻放電功率和放電氣壓對(duì)電子密度造成的影響。

　　低溫等離子體在材料制備、亞微米量級(jí)器件，微電子、光電子器件工藝以及半導(dǎo)體工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。在反應(yīng)等離子體中，電子密度是反應(yīng)等離子體的基本參量，原子的激發(fā)、等離子體中物質(zhì)種類的產(chǎn)生速率都與電子密度有關(guān)，同時(shí)刻蝕速率、沉積速率也都與電子密度緊密聯(lián)系，對(duì)電子密度的診斷是了解和控制反應(yīng)等離子體的一個(gè)關(guān)鍵。人們采用了多種測(cè)量方法如朗謬爾靜電探針法、激光光致分離技術(shù)、湯姆遜散射法以及微波共振探針法等對(duì)等離子體的電子密度進(jìn)行了較為精確的測(cè)量。

　　目前，運(yùn)用最為廣泛的是朗繆爾靜電探針，因?yàn)槔士姞柼结樈Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用便捷，而且具有良好的空間分辨率，但是傳統(tǒng)的探針普遍用于電正性等離子體電子密度的測(cè)量，在電負(fù)性等離子體以及沉積、刻蝕等離子體工藝應(yīng)用中，探針的電阻特性會(huì)受到嚴(yán)重干擾，以至于增加了I-V特性曲線的分析難度，難以得到準(zhǔn)確的電子密度測(cè)量，因而難以反應(yīng)等離子體內(nèi)部的真實(shí)特性。為了能準(zhǔn)確測(cè)量電性等離子體中的電子密度，人們開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)分析儀的微波共振探針技術(shù)。微波共振探針在測(cè)量等離子體電子密度過程中，所得數(shù)據(jù)的變化主要依賴于等離子體內(nèi)部參數(shù)的改變導(dǎo)致探針之間介質(zhì)介電常數(shù)的變化，其他因素幾乎不影響微波探針的診斷，因此微波共振探針的診斷方法在電負(fù)性等離子體的測(cè)量中能夠有效利用。

　　1976年，Stenzel首次提出微波共振探針，并以此測(cè)量低氣壓下等離子體電子密度；Piejak在Stenzel的基礎(chǔ)上改善了探針結(jié)構(gòu)，提高了信噪比，同時(shí)使用流體模型首次提出對(duì)探針進(jìn)行鞘層修正，之后又運(yùn)用發(fā)夾探針對(duì)射頻等離子體進(jìn)行測(cè)量；F.A.Haas考慮到鞘層影響對(duì)發(fā)夾探針的電子和離子鞘層影響進(jìn)行了研究；S.K.Karkari使用懸浮發(fā)夾共振探針直接測(cè)量雙頻容性等離子體的空間電子密度；鄒帥使用懸浮微波共振探針與雙探針測(cè)量相比較，證實(shí)了微波共振探針在電負(fù)性氣體中測(cè)量低電子密度的準(zhǔn)確性和可實(shí)施性，并測(cè)量了氟基容性耦合等離子體的電子密度；徐金洲和BrianLSands所在的研究小組分別對(duì)高氣壓等離子體密度的診斷做理論與實(shí)驗(yàn)上系統(tǒng)的研究，并將Piejak提出的修正因子拓展到了鞘層半徑較大的情況；Lji Liang使用螺旋型微波共振探針解決了傳統(tǒng)探針無法測(cè)量高頻等離子體密度的問題。Braithwaite等通過調(diào)制等離子體功率源的相位參數(shù)及反射信號(hào)，在放電前端施加低頻偏壓進(jìn)行調(diào)制等方法得到了更為準(zhǔn)確的等離子密度。近年來，SF6、O2、Cl2等電負(fù)性氣體在多晶硅片的干法制絨中起著不可替代的作用，使得人們對(duì)電負(fù)性等離子體的測(cè)量愈發(fā)重視。多晶硅干法制絨是太陽能電池片制造的一種重要工藝，并且放電功率、反應(yīng)氣壓以及源氣體流量比率都是表面形貌形成的重要參量。研究表明，電負(fù)性等離子體的電子密度、活性基團(tuán)的比例、離子轟擊能量是多晶硅表面干法制絨的重要因素。等離子體中的電子輸運(yùn)到鞘層邊界，在射頻場(chǎng)中獲取能量并反彈進(jìn)入體等離子體后，與背景氣體分子發(fā)生振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)激發(fā)、電離以及吸附分解等一系列碰撞反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)機(jī)制深刻的影響著等離子體中的電子密度，因此電子密度的測(cè)量有助于理解等離子體中電負(fù)性氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在本文中，利用微波共振探針技術(shù)對(duì)40.68MHz單頻激發(fā)的容性耦合等離子體的電子密度進(jìn)行測(cè)量，通過改變放電等離子體外部參量，如放電功率、放電氣壓以及三種不同電負(fù)性氣體與背景氣體Ar的不同流量比，詳細(xì)測(cè)量了這些外部參數(shù)對(duì)等離子體電子密度的影響。

1、微波共振探針測(cè)量原理

　　圖1為傳統(tǒng)發(fā)夾探針的簡(jiǎn)易圖。如圖1(a)所示，傳統(tǒng)意義上的微波共振探針是一根一端開路、一端短路的四分之一波長(zhǎng)的傳導(dǎo)線(l為探針長(zhǎng)度)，微波從z=-l處入射，在z=0處發(fā)射。電子密度ne可以通過fr和f0簡(jiǎn)單地表示出來

　　式中，電子密度ne的單位為10¹⁰cm^-3，頻率fr、f0分別為探針在等離子體與真空中的振動(dòng)頻率、單位都為GHz。

圖1 發(fā)夾探針和探針側(cè)面簡(jiǎn)易圖

　　在低電子密度的情況(比如電子密度ne=10⁹cm^-3，電子溫度Te=2eV)下，鞘層厚度達(dá)到毫米量級(jí)，此時(shí)鞘層在探針之間的介質(zhì)中占有重要作用，嚴(yán)重影響了介電常數(shù)的數(shù)值大小，因此在這種情況下，就有必要考慮到鞘層影響的存在。懸浮探針的設(shè)計(jì)使得探針處于懸浮狀態(tài)，它的電勢(shì)也將隨等離子體變化，通過鞘層的射頻電勢(shì)也可以忽略不計(jì)，因此可以使用一般的鞘層修正就可以得到更準(zhǔn)確的等離子體密度。

4、結(jié)論

　　文章采用懸浮型微波共振探針技術(shù)對(duì)40.68MHz激發(fā)的單射頻容性耦合SF6、Cl2、O2/Ar電負(fù)性等離子體的電子密度進(jìn)行了診斷測(cè)量。首先通過與朗繆爾探針測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，確定了微波共振探針對(duì)等離子體電子密度精確測(cè)量的適用范圍。并采用微波共振探針的測(cè)量方法系統(tǒng)研究了放電參量對(duì)摻入不同電負(fù)性氣體的容性耦合Ar等離子體電子密度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，強(qiáng)電負(fù)性氣體如SF6、Cl2摻入到Ar等離子體大幅度降低了等離子體的電子密度，而O2的摻入對(duì)電子密度的影響遠(yuǎn)小于強(qiáng)電負(fù)性氣體等離子體。射頻放電功率的增加直接導(dǎo)致了電子密度的上升；而放電氣壓的上升導(dǎo)致了于電子與粒子的兩次碰撞之間的能量增益下降，間接導(dǎo)致了電子密度的下降。