螺旋波低温低压氢等离体Langmuir探针法与发射光谱法诊断研究

摘要

低压低温等离子体作为重要的材料加工手段,在微电子、显示技术、超大规模集成电路工艺以及新材料等领域中得到广泛应用。其中在等离子体化学气相沉积技术(PCVD)薄膜制备过程中,等离子体状态直接影响薄膜的品质与性质。等离子体参数包括等离子体温度、等离子体密度、电子能量分布函数、离子能量以及各种离子和激发基团状态参数等。因此,为了获得实验宏观参数与等离子体状态参数之间的关系,为等离子体沉积薄膜提供必要的技术支撑,展开低压低温等离子体状态研究是一项非常有意义的工作。
　　 螺旋波通过朗道阻尼的方式加热电子产生螺旋波等离子体,最突出的优点是具有非常高的离化率。本文采用螺旋波激发等离子体方法产生氢等离子体,利用Langmuir探针法与发射光谱法对螺旋波诱导的低压氢等离子体进行诊断,测得了氢等离子体I—V特性曲线以及发射光谱,通过Druyvesteyn理论方法和日冕模型,并运用Boltzmann图解法,研究螺旋波诱导的低压氢等离子体电子能量几率函数(EEPF)、有效电子温度(Teff)、电子密度(ne),以及氢原子激发态、氢分子的振动、转动激发态随实验参数(如功率(Prf)、气压(P)、约束磁场(B)等)的变化规律。本文特点是在理论分析中利用探针的结果对光谱结果进行分析,真正实现了探针与光谱相结合的方法。结果表明:EEPF随功率、气压和磁场的增加,峰位均由高能缓慢向低能移动；Teff随功率、气压、磁场强度的增加而下降；ne随射频功率的增大发生密度跳跃,随气压的增大表现出先增大后减小的规律,随约束磁场强度增加而增加；氢原子激发温度随射频输入功率的增加逐渐升高,随着气压的增大降低;随输入射频功率的增大,氢分子振动温度降低,转动温度降低;随着气压的增大,氢分子振动温度逐渐降低,转动温度逐渐升高,并出现波动;随磁场增加,氢分子振动温度呈现先降低再增大的趋势,而氢分子转动温度呈现降低-升高-降低-升高趋势。
　　 计算拟合得到的实验参数变化规律与国内外文献相比较基本一致,参数值均在可参考范围内,表明本实验结合Langmuir探针法和发射光谱法以及数据分析方法是可行合理的。
　　 本文另一个特点是自主改建实验系统,测得低温低压氢等离子体部分近红外光谱图,并对光谱图进行了简要的分析,这项工作是在其他文献中很少见到的。