【摘 要】
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低温等离子体在传统和新兴工业领域有着越来越突出的地位,其中射频等离子体作为一种重要类型的等离子体也受到人们的广泛关注和深入研究。射频离子源在许多现代工艺领域如表面改性、晶圆刻蚀和薄膜沉积等相关领域有着越来越普遍的应用。特别是在现代薄膜制备技术中,离子束溅射具有污染小、易于精确控制成膜条件、离子束能量与束流可以独立并精确控制、有利于获得较高质量的薄膜等优点。在一般的等离子体放电中,等离子体的高密度和
【基金项目】
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国家自然科学基金(51775096),植入器械微动磨损、疲劳损伤机理及表面/界面强化机制研究; 沈阳市科学技术计划项目(Y17-0-003),真空、表面工程技术及装备研发;
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低温等离子体在传统和新兴工业领域有着越来越突出的地位,其中射频等离子体作为一种重要类型的等离子体也受到人们的广泛关注和深入研究。射频离子源在许多现代工艺领域如表面改性、晶圆刻蚀和薄膜沉积等相关领域有着越来越普遍的应用。特别是在现代薄膜制备技术中,离子束溅射具有污染小、易于精确控制成膜条件、离子束能量与束流可以独立并精确控制、有利于获得较高质量的薄膜等优点。在一般的等离子体放电中,等离子体的高密度和均匀性往往是相互制约的,虽然在一定条件下提高放电气压,就能够得到更高密度的等离子体,但是随着放电气压的升高,等离子体内部的碰撞加剧成为制约其扩散的一个因素,影响了放电的均匀性。磁场对射频感性耦合等离子体的一些放电参数有着非常重要的影响。本文采用模拟和实验相结合的方法,探究了磁场对射频感性耦合等离子体电子密度大小和均匀性的影响规律。通过模拟仿真可以初步判断磁场对射频感性耦合等离子放电的电子密度大小和均匀性在一定范围内有积极作用;对电子温度大小和均匀性不是有很明显的影响。光谱测量结果显示,在纯气体放电下,各粒子的光谱强度均随着磁场的增加而增加,尤其是激发态氧原子的增加幅度最为明显;在Ar/O体系的放电下,各粒子的光谱强度随磁场的增加而增加;在同等放电条件下,氩气占比越高,激发态氩原子和氩离子光谱强度越强,而氧气占比越高,激发态氧原子和氧离子的光谱强度却不一定越强。探针诊断结果表明,外加磁场的引入使得等离子放电的电子密度大小最大跨度从4.03 ×1015(1/m3)增加到1.12×1016(1/m3)的同时,电子密度均匀度最大跨度从29.26%增加到93.42%。但是磁场对电子温度的大小和均匀度影响却不是很明显,电子温度的跨度只有0.6eV左右,电子温度均匀度跨度只有6%左右。渗氧表征实验结果表明,引入外加磁场之后,钛片的渗氧均匀度提高20个百分点(从75%左右提高到95%左右)。证明磁场对射频感性耦合等离子的改善作用可以应用于实际的工程工艺中。本文依据模拟仿真、光谱诊断、探针测量和表征实验的结果,证明了在射频感性耦合等离子放电中,外加直流磁场的引入能够在一定的范围内提高等离子放电中电子密度的同时,提高等离子放电的均匀性。
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