電子回旋波共振(ECWR)技術(shù)是利用電磁波與電學(xué)各向異性材料(如帶有外加靜磁場(chǎng)的低壓等離子體)的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該技術(shù)可在低壓力下產(chǎn)生高密度等離子體，廣泛用于微電子刻蝕、薄膜材料沉積等加工過(guò)程。等離子體的參數(shù)對(duì)刻蝕速率、表面成膜質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，因此進(jìn)行等離子體參數(shù)的測(cè)量研究能夠促進(jìn)電子回旋波共振技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了朗繆爾探針檢測(cè)裝置，使用OES 光譜檢測(cè)儀對(duì)ECWR 設(shè)備放電時(shí)的等離子體參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，當(dāng)直流電流強(qiáng)度為4.1A 時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生了電子回旋共振效應(yīng)。

　　電子回旋波共振作為一種新發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，可以高效激發(fā)等離子體，可以用來(lái)改造傳統(tǒng)的濺射工藝。該技術(shù)是在反應(yīng)室內(nèi)部不包含任何激發(fā)電極的情況下，產(chǎn)生低壓高密度等離子體，并能夠平滑的改變所產(chǎn)生的等離子體的參數(shù)。國(guó)外研究人員現(xiàn)已應(yīng)用這種技術(shù)制備多種半導(dǎo)體薄膜，但國(guó)內(nèi)關(guān)于此方面的研究和設(shè)計(jì)卻很少，本課題組已在文獻(xiàn)中對(duì)ECWR 設(shè)備進(jìn)行了搭建研究。利用該技術(shù)進(jìn)行刻蝕或者鍍膜時(shí)，等離子體的參數(shù)對(duì)產(chǎn)品性能起著至關(guān)重要的影響。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為對(duì)等離子體的診斷具有重要的意義。本文設(shè)計(jì)了朗繆爾探針檢測(cè)裝置并使用OES 光譜檢測(cè)儀對(duì)ECWR 設(shè)備放電時(shí)的等離子體參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析。

1、ECWR 系統(tǒng)的介紹

　　圖1 給出了ECWR 鍍膜機(jī)主體部分的三維圖，該鍍膜機(jī)的真空室直徑為254mm、高為680mm，底部通過(guò)快接法蘭與真空抽氣系統(tǒng)相連接，工作時(shí)主真空室的本底真空度保持在0.1Pa 左右。該鍍膜機(jī)的電子回旋波共振系統(tǒng)主要由射頻單元、等離子體腔、亥姆霍茲線圈和一個(gè)離子引出系統(tǒng)組成。射頻發(fā)生器的頻率一般是13.56 或27.12 MHz，射頻能量通過(guò)一個(gè)單匝線圈電感耦合到等離子體中。ECWR 等離子體屬于低溫高密度等離子體，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而等離子體密度卻可以達(dá)到很高，純Ar氣體中放電，等離子體密度可達(dá)10¹²cm^-1。ECWR 鍍膜機(jī)的詳細(xì)原理及設(shè)計(jì)參數(shù)可參考文獻(xiàn)。

圖1 ECWR 鍍膜機(jī)

2、ECWR 設(shè)備的等離子體診斷

　　2.1、朗繆爾探針檢測(cè)

　　朗繆爾探針?lè)ㄓ址Q靜電探針?lè)�，是一種比較傳統(tǒng)的診斷方法，也是目前應(yīng)用最廣泛，裝置最簡(jiǎn)單的診斷方法。朗繆爾探針診斷方法一般用于對(duì)大范圍、均勻分布等離子體的參數(shù)進(jìn)行診斷。此方法是利用在等離子體中插入一個(gè)導(dǎo)電探針，由雙極性的掃描電源給探針提供所需范圍內(nèi)的電壓，測(cè)量并記錄加在探針兩端的電壓及流過(guò)探針的電流，繪制成I-V 特性曲線，再對(duì)I-V 曲線進(jìn)行處理，計(jì)算出被測(cè)等離子體的各個(gè)參數(shù)。

　　探針是朗繆爾探針系統(tǒng)的重要組成部分，本文實(shí)驗(yàn)中采用單探針結(jié)構(gòu)，掃描電源輸出波形為三角形波，電壓范圍為±100V。放電時(shí)，將掃描電壓加在探針上，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集施加的電壓以及流過(guò)探針的電流。

　　圖2 為探針驅(qū)動(dòng)裝置，該驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)器(如HYQD40 型驅(qū)動(dòng)器)、兩相混合式步進(jìn)電機(jī)(如42BYGH39 1.8 度型步進(jìn)電機(jī))、步進(jìn)電機(jī)控制器、100μF160V 電解電容、電感應(yīng)限位開(kāi)關(guān)、輸出為24V 的直流開(kāi)關(guān)電源、SFU01204-4 型滾珠絲杠副、滑塊等組成。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)剛性聯(lián)軸器與滾珠絲杠相連，滑塊固定在螺套上，通過(guò)兩個(gè)光軸限制滑塊的自由度，使其只能沿絲杠軸線方向運(yùn)動(dòng)。在其滑槽里裝有限位開(kāi)關(guān)，通過(guò)電感應(yīng)限位開(kāi)關(guān)對(duì)探針的運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行控制。探針與真空室之間通過(guò)真空細(xì)牙波紋管連接，實(shí)現(xiàn)密封目的，同時(shí)能夠滿足探針在軸線方向上的運(yùn)動(dòng)。

圖2 朗繆爾探針驅(qū)動(dòng)裝置

　　該驅(qū)動(dòng)通過(guò)電腦端上位機(jī)發(fā)出指令，經(jīng)步進(jìn)電機(jī)控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制運(yùn)行，該上位機(jī)操作界面由VB 編寫(xiě)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)由剛性聯(lián)軸器傳至滾珠絲杠軸，進(jìn)而由螺套將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為沿光軸的直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)朗繆爾探針沿軸向運(yùn)動(dòng)，改變朗繆爾探針的測(cè)量位置，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量。課題組王慶等利用朗繆爾探針測(cè)得的I-V特性曲線如圖3 所示，懸浮電位為-18.83V，等離子體密度隨著射頻電源功率的增加而增加，等離子體密度隨著壓力的增加而減少，電子溫度隨著折射功率的增加而減少，電子溫度隨著壓力的增加而減小。

　　2.2、OES 光譜檢測(cè)

　　本文利用發(fā)射光譜法(EPP2000型微型光纖光譜儀，美國(guó)萊特太平洋公司)測(cè)定ECWR 等離子體中存在的分子、原子的激發(fā)和電離狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)等離子體的發(fā)射光通過(guò)真空室的石英窗口由光纖探頭和傳導(dǎo)光纖傳入光譜儀并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，再通過(guò)USB 接口傳入計(jì)算機(jī)由軟件顯示出等離子體的發(fā)射光譜圖，測(cè)量過(guò)程如圖4 所示。

圖3 朗繆爾探針I(yè)-V 特性曲線

圖4 光譜檢測(cè)過(guò)程

　　本文利用Ar放電光譜研究ECWR射頻系統(tǒng)產(chǎn)生的等離子體的性能，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了激發(fā)態(tài)的Ar 原子和Ar+ 離子的發(fā)光強(qiáng)度，用其光譜相對(duì)強(qiáng)度估量等離子體放電性能。Ar 的發(fā)光強(qiáng)度主要取決于基態(tài)Ar 原子密度和其激發(fā)能以及等離子體中電子溫度和電子密度。為了解氣體壓力對(duì)等離子體放電性能的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)，向真空室中輸入Ar，并使磁場(chǎng)線圈電流維持穩(wěn)定，逐漸改變真空室內(nèi)氣體壓力，進(jìn)而測(cè)試等離子體相對(duì)強(qiáng)度，測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，氣體壓力變大，等離子體密度增大，光譜強(qiáng)度變強(qiáng)是一個(gè)普遍現(xiàn)象，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為無(wú)法依據(jù)該結(jié)果判斷系統(tǒng)內(nèi)部是否發(fā)生電子回旋共振效應(yīng)。

　　為了解外加勻強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)等離子體放電性能的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)，向真空室中輸入Ar，并使真空室氣壓維持穩(wěn)定，通過(guò)改變直流電流大小改變等離子體區(qū)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而測(cè)試等離子體相對(duì)強(qiáng)度。本文利用光譜測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量在此條件下的發(fā)射光譜(200-1200 nm)用于表征等離子體相對(duì)強(qiáng)度，工藝參數(shù)如表1 所示。

　　圖6 顯示了1 號(hào)工藝參數(shù)的OES光譜，由該圖分析發(fā)現(xiàn)主要的譜線包括位置在738.04、867.48、913.85、966.93 和979.32nm 的Ar 離子譜線和位置在696.54、706.72、727.29、751.04、763.51、772.42、794.82、801.48、811.53、826.45、842.46、852.14和922.45nm 的Ar 原子譜線，其余不同工藝參數(shù)條件下的OES光譜與該圖相似，只是強(qiáng)度略有不同。不同直流電流條件下Ar 等離子體光譜相對(duì)強(qiáng)度如圖7 所示。

圖5 不同壓力條件下氬等離子體發(fā)光強(qiáng)度圖

圖6 氬等離子體發(fā)光圖譜

表1 不同直流電流下進(jìn)行OES 檢測(cè)的參數(shù)

圖7 不同直流電流條件下氬等離子體發(fā)光強(qiáng)度圖

表2 補(bǔ)充直流電流參數(shù)進(jìn)行OES 檢測(cè)

　　從圖7 中可以看出，隨著電流的增大，光譜強(qiáng)度也逐漸增大，這可能是由于磁場(chǎng)的束縛作用引起的電子更加強(qiáng)烈的碰撞，但是這并不能說(shuō)明ECWR 射頻濺射系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生了電子回旋共振效應(yīng)。為此，本文在此基礎(chǔ)上添加了4 組實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)如表2 所示，測(cè)試結(jié)果如圖8 所示。

圖8 不同直流電流條件下氬等離子體發(fā)光強(qiáng)度圖

　　10-13 號(hào)工藝參數(shù)下的OES 光譜與圖6 相似，但相對(duì)強(qiáng)度略有不同，其氬等離子體光譜相對(duì)強(qiáng)度如圖8 所示。從圖8 中可以看出，當(dāng)直流電流強(qiáng)度為4.1A 時(shí)，光譜相對(duì)強(qiáng)度之和最大，且在輝光放電的視覺(jué)上有突然增亮的效果，說(shuō)明ECWR 射頻濺射系統(tǒng)出現(xiàn)了電子回旋共振效應(yīng)。

3、結(jié)語(yǔ)

　　本文針對(duì)課題組前期搭建的ECWR 鍍膜機(jī)設(shè)計(jì)了朗繆爾探針檢測(cè)裝置，使用OES 光譜檢測(cè)儀對(duì)放電時(shí)的等離子體參數(shù)進(jìn)行了檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，當(dāng)直流電流強(qiáng)度為4.1A 時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生了電子回旋共振效應(yīng)。