磁化射频容性耦合氩放电等离子体的实验研究

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射频容性耦合等离子体(Capacitively Coupled Plasma,CCP)广泛应用于如刻蚀和薄膜沉积等材料表面处理过程。为了不断满足工艺条件和生产效率的需要,射频容性耦合等离子体物理一直是研究关注的重点。其中利用磁场调控射频CCP放电特性,即所谓的磁化射频CCP是研究的热点之一。作为磁化射频CCP的主要应用方向之一,射频磁控溅射广泛应用于材料薄膜、特别是绝缘材料薄膜的制备。但是,由于强磁场抑制了靶电极在正半周对电子的收集,从而使自偏压大幅降低,导致射频磁控溅射一直存在的沉积率非常低的问题,严重制约了其在产业上的应用。为此,本文论述采用双探针诊断实验研究弱磁场对射频容性耦合放电的增强效率,结果表明,在特定弱磁场下,等离子体密度出现峰值,这是由于外磁场的施加增强了电子的加热效率,从而提高了等离子体密度。实验发现:低频下(如13.56 MHz)随着外加磁场变化等离子体密度峰相互叠加难以分辨,但在60 MHz的高频放电中,各个密度峰比较清晰且显著。实验结果显示,磁化射频CCP中除存在ESR(Electron Sheath Resonance)效应导致等离子体密度峰以外,还存在其他两个未知的共振加热效应峰值有待于进一步研究。本文首先论述了对不同驱动频率、功率和气压下的ESR效应进行的系统实验研究。在所有条件下,当外加磁场与射频频率满足特定关系时,即B≈(πme)/efRF,回旋电子可以和周期性扩张的鞘层发生反复碰撞,从而不断地被鞘层加速,从而显著增强随机加热效率,进而极大地提高等离子体密度。因此会观察到一个清晰的ESR等离子体密度峰值,为这种效应提供了直接证据。其次,本文论述了电子回旋共振(ECR)在磁化射频CCP放电与微波放电中的相似性,并在实验中观察到靠近ECR条件处的第二等离子体密度峰,其位置比ECR理论值高3-4 Gs,其物理机制有待于进一步研究。最后,实验中还观察到在较高磁场处存在第三等离子体密度峰。针对这一现象,我们将等离子体等效为一个RLC并联电路,提出等离子体并联共振加热的机制。实验显示,峰位对电极间距十分敏感,提示极板间电容变化对共振条件的影响。其详细的物理机制也有待于进一步研究。
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