凹腔型感应耦合等离子体源的研制及特性分析

摘要

感应耦合等离子体源（Inductively Coupled Plasma Source, ICPS）是低气压下产生大面积、均匀稳定等离子体的一种重要方式。目前已被广泛应用于沉积薄膜、等离子体刻蚀等领域。由于具有产生等离子体密度高，设备操作简单方便等优点，在过去的几十年间对ICPS的研究吸引了众多的研究者，并在提高等离子体密度以及均匀性方面取得了一系列重要成果。传统的方法主要集中于增加和改进外施功率源和优化ICPS结构，可在一定程度上提高等离子体密度和径向均匀性。
　　本文研制了一种基于凹腔型天线的新型的双线圈嵌套式凹腔型感应耦合等离子体源装置，旨在产生高密度、范围大、均匀性好的等离子体。在碰撞条件下，由于等离子体的扩散被限制，导致单个凹腔型难以获得较大范围均匀性好的等离子体，但基于内层凹腔型ICPS与外层圆柱型ICPS之间一系列的线性以及非线性耦合增强效应，使得该装置所产生的等离子体达到了较好的预期效果。
　　本文分别采用Langmuir探针诊断和光谱诊断法研究了这种新型 ICPS所产生的等离子体电子密度、电子温度以及光谱进行了测量。首先讨论了三种不同结构ICPS，在不同放电参数（压强和功率）条件对E-H模式转换及回滞现象的影响。实验发现，这种新型的双线圈嵌套式凹腔型感应耦合等离子体源在E-H模式转换特性上表现出较大优势，双线圈耦合结构与单个线圈结构相比，不仅可以大大降低E模式向H模式转换的跳变功率阈值点，使得ICP可以更早的进入所需的高密度H模式，在同等功率条件下更容易获得密度较高、均匀性良好的等离子体，同时也能够实现更加迅速和平稳的模式转换。另外，实验数据也表明，在H模式下双线圈嵌套的放电形式可以获得密度更高、分布更均匀的ICPS。
　　在气压和输出功率对等离子特性的影响方面，可以发现，随着放电气压和功率的升高，ICPS的电子密度随之上升，而电子温度则呈下降的趋势。这与目前的研究结果基本相符，从光谱分析的结果来看，本文着重分析了两条典型的Ar原子谱线（750.4nm和811.6nm）的变化规律，根据所得结果间接解析了放电过程中高、低能电子在放电过程中的分布情况。此外，对ICPS的空间分辨实验结果则表明，在内外双层线圈相耦合的结构下，ICP在放电空间中部产生的等离子密度普遍高于两线圈表面位置处的等离子体密度，这表明这种结构下等离子体能够较好地克服趋肤效应，使放电空间等离子体的径向分布更加均匀。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.1.1 课题的来源

1.1.2 课题研究的目的和意义

1.2 低温等离子体源简介

1.2.1电子回旋共振等离子体源（Electron Cyclotron Resonance， ECR）

1.2.2螺旋波等离子体源（Helicon-Wave Plasma，HWP）

1.2.3射频容性耦合等离子体源（Capatively Coupled Plasma，CCP）

1.2.4射频感应耦合等离子体源（Inductively Coupled Plasma, ICP）

1.3 目前感应耦合等离子源的研究热点

1.3.1 感应耦合等离子体的发生装置

1.3.2 E-H模式转换与回滞现象

1.3.3 静电耦合效应

1.3.4 射频感应耦合等离子体源基本原理和电路模型的研究

1.3.5 趋肤效应和反常趋肤效应

1.3.6 感应耦合等离子体在工业领域中的应用

1.4 本文的主要研究内容

第2章 实验平台的搭建和等离子体诊断技术

2.1 实验平台的搭建

2.1.1 真空放电系统

2.1.2 机械泵组与气路系统

2.1.3 电气系统

2.1.4 水冷系统

2.1.5 等离子体诊断系统

2.2 Langmuir探针诊断技术

2.2.1 Langmuir探针简介

2.2.2 Langmuir单探针的基本原理

2.2.3 Langmuir双探针的基本原理

2.3 原子发射光谱诊断技术

2.3.1 原子发射光谱产生的机制

2.3.2 原子发射光谱分析理论基础

2.4 本章小结

第3章 E-H模式转换及回滞现象的实验研究

3.1 实验的设置

3.2 模式转换与回滞现象的探针诊断

3.2.1 电子密度的变化特征与分析

3.2.2 电子温度的变化特征与分析

3.3 模式转换与回滞现象的光谱诊断

3.4 本章小节

第4章 感应耦合等离子体的探针及光谱诊断

4.1 感应耦合等离子体的探针诊断

4.1.1 气压对等离子体参数的影响

4.1.2 功率对等离子体参数的影响

4.1.3 空间分辨

4.2 感应耦合等离子体的光谱诊断

4.3 本章小节

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢