微波ECR等离子体的磁电加热研究

摘要

利用磁镜场ECR等离子体源中的离子在强磁场区的回旋运动来实现CVD金刚石膜的抛光,相对于现有的离子束抛光研究,该方法具有抛光面积大、处理均匀等优点。在普通的ECR等离子体装置中,离子温度较低,在通过纵向加速电极进入强磁场区时,其回旋特征很弱,很难实现对金刚石膜的刻蚀。通过磁电加热能够提高ECR等离子体中的离子能量,在利用梯度磁场对等离子体中的离子进行运动方向的调节时,较高的离子能量有利于将更多平行于磁场方向的能量转移到垂直于磁场方向去,从而得到具有回旋特性的离子束。因此,ECR等离子体的磁电加热研究是利用磁镜场获得具有显著回旋特征的离子束的关键所在。
　　本文在自主设计的ECR微波等离子体装置上建立了磁电加热系统,研究了ECR等离子体的磁电加热过程和影响加热效率的因素,主要包括以下内容:
　　1、使用离子灵敏探针和双探针分别测量了离子温度和电子温度随电极环偏压的变化情况,对比分析了离子温度和电子温度在磁电加热后的径向分布,结果表明:微波ECR等离子体的整体加热是通过离子在电极环鞘层中的磁电加热以及被加热的离子沿径向的输运来完成的。轴心处离子温度随电极环偏压的升高呈非线性增加,磁电加热效率随偏压的增大而增大。电子的磁电加热过程与离子的磁电加热过程相似,但电子的加热效率远小于离子的加热效率。磁电加热后等离子体密度的变化不明显。
　　2、研究了磁场位形、磁场强度、气压、电极环等外加条件对离子加热温度的影响,结果表明:在同一阳极环偏压下,磁镜场位形比发散场位形更有利于提高离子的磁电加热温度。低气压下有利于离子温度的提高,并且气压在0.02-0.8Pa范围内,磁电加热的效率随气压的增大而减小。微波功率在650～950W范围内变化时,离子的磁电加热效率会随着微波功率的增大而增大。大小合适的电极环能有效提高离子的加热温度,且最优电极环尺寸主要取决于离子回旋半径;电极环轴向位置的选择主要与磁镜场位形有关,将电极环置于磁镜场中部的弱磁场位置时最有利于提高离子温度;采用双环加热能进一步提高离子温度,并且其加热效果是单环加热的两倍。采用圆筒加热等离子体不仅有利于离子温度的提高,还有利于离子在轴向下游的输运。圆筒加热时各径向位置的离子温度升高的幅度更大,其中圆筒电极内部的离子温度径向差异较大,而圆筒下游的离子温度径向分布比较均匀。
　　3、将加热后的离子束引出并运用于CVD金刚石膜的刻蚀,分析了磁电加热前后金刚石膜刻蚀形貌的变化,结果表明:按照传统的引出方式设置引出电极时,在加速极上加负偏压无法有效地引出离子,而加正偏压有利于离子束向下游的输运。采用圆筒加热并结合磁镜场输运离子束流时,有利于轴向下游离子温度和密度的提高。利用磁电加热后的ECR等离子体刻蚀金刚石膜,可以使锋利的晶棱钝化,并且能有效降低金刚石膜表面的机械强度,提高机械抛光效率。

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第1章 文献综述

1.1 ECR等离子体的原理及特点

1.2 ECR等离子体的应用

1.3 等离子体的加热研究概况

1.4 本工作的主要意义和研究内容

第2章 ECR等离子体源及诊断系统

2.1 微波ECR等离子体源及加热系统

2.2 电子参数诊断系统

2.3 离子参数诊断系统

2.4 本章小结

第3章 磁电加热对微波ECR等离子体参数的影响

3.1 引言

3.2 磁电加热对离子参数的影响

3.3 磁电加热对电子参数的影响

3.4 本章小结

第4章 影响离子磁电加热效果的因素

4.1 引言

4.2 磁场位形对离子磁电加热的影响

4.3 磁场强度对离子磁电加热的影响

4.4 气压对离子磁电加热的影响

4.5 微波功率对离子磁电加热的影响

4.6 电极环对离子磁电加热的影响

4.7 电极圆筒对离子磁电加热的影响

4.8 本章小结

第5章 磁电加热在ECR等离子体刻蚀金刚石膜中的应用

5.1 引言

5.2 离子引出及输运研究

5.3 磁电加热后刻蚀模型的建立

5.4 磁电加热对刻蚀形貌的影响

5.5 本章小结

第6章 论文总结与展望

6.1 论文总结

6.2 展望

参考文献

攻读硕士期间已发表的论文

致谢