碰撞条件下可组合式等离子体源的实验研究

摘要

近年来，低温等离子体工艺在超大规模集成电路、微机电系统加工、材料表面改性、新型薄膜材料以及纳米材料制备等前沿科技领域中有着极其广泛的应用，其中大面积、高密度、均匀等离子体源是实现快速沉积大面积、均匀功能性材料的技术关键。由于传统单电极放电难以产生较为理想的等离子体源，通过多个电极组合放电是实现大面积、高密度、均匀等离子体源的有效途径。然而，在这种多电极组合方式中，高密度和均匀性两者间存在不可调和的制约关系，中高气压条件在产生高密度优势的同时，也由于碰撞效应严重破坏了其均匀性，在以往的研究中，人们为了得到大面积、均匀的等离子体，往往选择在低气压下工作，这使得等离子体密度受到极大限制。
　　本文利用多个结构小巧的凹腔型电感线圈进行组合放电研究，发现了中高气压碰撞条件下，该多源组合等离子体密度具有显著的非线性增强效应，基于该效应在中高气压下成功实现了大面积、高密度、均匀等离子体源的制备，并且得到一种有效的技术方法，可以对等离子体参数进行调控;本文同时提出一种加悬浮极单探针诊断方法，用于碰撞条件下、真空室壁受污染环境中等离子体参数的诊断，提高了单探针诊断结果的准确性。中高气压下，单个电感线圈放电产生的等离子体由于碰撞具有高密特性，同时又因为碰撞破坏了密度的均匀性，扩散区等离子体密度呈指数衰减，可以建立线性损失-扩散模型对扩散区等离子体密度分布进行描述。多个电感线圈组合放电时，每个电感线圈放电具有独立性，线圈之间没有干扰，所以多源组合等离子体密度具有简单的线性叠加性质，这在一定程度上提高了等离子体密度的均匀性，更重要的是，在中高气压碰撞条件下，多源组合等离子体密度在一定的参数范围内还表现出显著的非线性增强效应，即多个线圈组合放电产生的等离子体密度高于各个线圈单独放电产生的等离子体密度的线性之和。在线性损失-扩散模型中考虑多步电离过程后得到的非线性模型，可以很好的模拟这种非线性增强效应，这说明非线性增强效应是由于扩散区多步电离过程引起的，并通过氦气组合放电实验证实了该结论。实验和模拟结果表明，多源组合等离子体密度非线性增强效应与线圈数、线圈位置以及单个线圈独立放电产生的等离子体密度密切相关。高密度往往和均匀性相互制约，保持放电功率不变时，要想得到更高的等离子体密度，就需要提高气压，而升高气压带来的强碰撞又会阻碍等离子体扩散，严重破坏密度均匀性，多源组合放电可以有效调和二者关系:利用中高气压碰撞条件下单源等离子体高密度特性，通过多个结构小巧的凹腔型放电线圈进行组合放电，获得大面积、高密度的等离子体源，同时结合非线性增强效应有效提高等离子体密度的均匀性。
　　本文通过六源组合在r=10cm、15cm、20cm位型下，分别在其特征气压下放电，得到有效直径15cm、22cm和32cm的大面积均匀等离子体源，等离子体密度均匀性在90％以上，密度可以通过放电功率来调节，最高密度可达到1×1019m-3，另外电子温度分布均匀，这些参数已经符合大面积等离子体源的要求。实验研究发现，等离子体密度的相对分布受气压的影响较大，受放电功率的影响较小，调节放电功率可以改变等离子体密度的绝对值，因此，可以首先确定密度分布最均匀时对应的特征气压，在特征气压下放电，通过调节功率来获得我们所需要的大面积、均匀的等离子体源，实现等离子体源量化的目标。在r=10cm的等离子体源下，利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法进行了硅薄膜材料沉积的实验研究。实验结果表明，利用六源组合构建的高密度等离子体源在做薄膜沉积时，具有较高的沉积速率，同等条件下，沉积速率会随着放电功率的升高而增加，并且由于等离子体源面积较大，可以做大面积薄膜沉积，满足工业应用的要求。
　　本文介绍了单探针诊断中经常遇到的两类问题，一类是由于探针电流测量回路受阻，导致的电子饱和流收集的问题，另一类指的是，在利用三角波形电压得到探针V-I曲线时，其上升沿和下降沿电压得到V-I曲线分别在横坐标上出现向左和向右的偏移，发生“回滞”现象。实验结果表明，这两种曲线畸变现象都是由于真空室壁受污染所致，我们利用单探针V-I特性曲线模型和探针等效电路模型对两类曲线畸变现象进行模拟，模拟结果与实验结果一致。因此本文提出了一种加悬浮极单探针诊断方法，有效避开真空室壁对探针测量的干扰，得到真实而完整的V-I特性曲线，并且通过实验和模拟验证了这种方法的优越性。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 低温等离子体源概述

1．1．1 低温、高密度等离子体

1．1．2 多源组合等离子体

1．2 低温等离子体诊断方法

1．2．1 静电探针诊断

1．2．2 微波诊断

1．3 非晶硅薄膜的制备

第2章 加悬浮极单探针诊断方法

2．1 碰撞条件下静电单探针理论概述

2．2 单探针测量原理

2．2．1 单探针V-I特性曲线

2．2．2 电子能量分布函数

2．3 单探针测量的遇到的问题

2．3．1 整体电中性对探针测量的约束

2．3．2 真空室壁受污染引起的测量问题

2．3．3 利用探针V-I曲线模型和等效电路模型对两种畸变现象的模拟分析

2．4 加悬浮极单探针测量的实验研究

2．4．1 实验装置

2．4．2 模拟和实验分析

2．5 本章总结

第3章 碰撞条件下凹腔型射频感应耦合等离子体的性质

3．1 碰撞条件下单源等离子体性质

3．1．1 单源等离子体的源区和扩散区

3．1．2 碰撞条件下单源等离子体的独立性

3．1．3 单源等离子体扩散区密度分布特性

3．1．4 单源等离子体扩散区线性损失-扩散模型

3．2 多源组合等离子体性质

3．2．1 多源组合等离子体密度非线性增强效应

3．2．2 非线性增强效应的影响因素

3．2．3 多源组合等离子体扩散区模型

3．2．4 氦气组合放电实验

3．3 大面积高密度均匀等离子体源的构建方法

3．4 本章总结

第4章 六源组合大面积等离子体源的实验研究

4．1 实验装置

4．1．1 真空系统

4．1．2 等离子体产生系统

4．1．3 诊断系统

4．2 大面积等离子体源的实验结果

4．2．1 中心点等离子体密度和电子温度随放电参数的变化

4．2．2 线圈连线上等离子体密度分布

4．2．3 线圈连线上电子温度分布

4．2．4 轴向上等离子体密度分布

4．3 实验结果分析

4．3．1 线圈连线上等离子体密度分布的影响因素

4．3．2 特征气压

4．3．3 有效直径32cm的大面积均匀等离子体源

4．3．4 中心点等离子体密度非线性叠加系数的估算

4．3．5 六源组合模拟

4．4 本章总结

第5章 非晶硅薄膜材料的制备

5．1 等离子体增强化学气象沉积装置

5．2 非晶硅薄膜的生长机理简介

5．3 薄膜性能的表征方法

5．4 非晶硅薄膜制备的实验研究

5．5 本章总结

第6章 总结及展望

6．1 本文总结

6．1．1 加悬浮极单探针测量方法

6．1．2 大面积、高密度均匀等离子体源的构建方法

6．1．3 六源组合大面积均匀等离子体源的实验研究

6．1．4 非晶硅薄膜的实验研究

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果