（等离子体物理专业论文）射频感应耦合等离子体调谐基片自偏压特性的实验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本实验小组首先对实验装置进行了改进，通过对射频功率源原有板压电路添加自制 滤波电路，降低了射频感应耦合放电的纹波系数。研究了匹配网络对等离子体容性耦合 的影响，比较了不同放电天线放电对实验测量的影响，找到较好的测量方法和测量环 境。 针对原有容性探针存在的问题，增宽了新研制的容性探针的频响范围，改进后的容 性探针能同时测量直流电位和射频电位。研究并制作了内置补偿式射频l a n g m u i r 探 针，并通过外加调谐电路降低等离子体中射频电压对探针测量的于扰，在测量过程中通 过软件控制探针尖加热解决了真空室壁杂质对探针尖的污染，提高了探针测量的重复| 生 和可靠性。 在已有的调谐基片自偏压研究的基础上，进一步研究了基片分支串联电阻对基片自 偏压的影响，发现了在电阻值区的自振荡现象：研究了基片台空间轴向位置对基片自偏 压一调谐电容曲线的影响；研究了铜带放电天线下基片自偏压的跳变回滞、双稳回滞、 自振荡等特性，并与多匝铜管放电天线下的结果进行了比较。在不同的放电参数下，采 用自制射频l a n g m u i r 探针测量了射频感应耦合等离子体电子温度、电子密度的二维空 间布；利用容性探针测量了不同放电功率、气压下等离子体空间电势，并同时测量了不 同放电功率和气压下放电天线上的电压沿线分布。上述测量工作为以后的相关理论研究 提供必要的实验数据。根据正反馈原理，结合外部调谐网络的阻抗特性、基片鞘层电容 的非线性特性、射频感性耦合放电特点，对基片自偏压的跳变、双稳回滞、自振荡现象 给出了物理模型解释。 关键词：感性耦合等离子体、调谐基片自偏压、射频l a n g m u i r 探针、容性探针 射频感应耦合等离子体调谐基片自偏压特性的实验研究 c h a r a c t e r i s t i c so ft h et u n e ds u b s t r a t es e l f - b i a si na r f i n d u c t i v e l y c o u p l e dp l a s m a a b s 仃a c t t h er e s e a r c hg r o u pf i r s tp e r f o r m si m p r o v e m e n t so nt h ee x p e r i m e n t e q u i p m e n t b ym e a n so fa d d i n gt h ef i l t e ri n t ot h eo r i g i n a l g r i dc i r c u i to f r fp o w e rs o u r c e ，t h er i p p l ee f f e c ti sr e d u c e d ，a n dt h es t a b i l i t yo fi c pi s s t r e n g t h e n e d t h ee f f e c to fm a t c h i n gn e t w o r ko nc a p a c i t i v ec o u p li n go f p l a s m ai ss t u d i e d b yc o m p a r i n gt h em e a s u r er e s u l t sw i t hd i f f e r e n td i s c h a r g e a n t e n n a s ，t h eb e t t e rm e a s u r e m e n tm e a n sa n dc o n d i t i o n sa r ef o u n d s o m ei m p r o v e m e n t sa r ep e r f o r m e d0 1 1t h ec a p a c iti v ec o u p l i n gp r o b et o i n c r e a s ei t sf r e q u e n c yr a n g e ，i nt h i se a s e ，i tc o u l dm e a s u r et h ed c v o l t s a n dr fv o l t sr e s p e c t i v e l y w ea l s os t u d ya n dm o d i f yt h er fl a n g m u i rp r o b e ， b ya d d i n gt u n i n gc i r c u i t ，t h ei n t e r f e r e n c e o fp r o b em e a s u r e m e n tc a u s e db y t h e1 3 5 6 删zs i g n a li sd e c r e a s e d d u r i n gt h ec o u r s eo fm e a s u r e m e n t t h e p r o b l e mo fp r o b et i n ep o l l u t i o nc a u s e db yi m p u r i t yi nt h ev a c u u mr o o mi s r e s o l v e db ys o f t w a r ec o n t r o l ，w h i c hi su s e dt oh e a tt h ep r o b et i n e b yt h is w a y ，t h ep r o b ec o u l db eu s e dr e p e a t e d l y m o r er e s e a r c h e sa r ed o n et os t u d yt h ei m p a c to fs u b s t r a t ee m b r a n c h m e n t r e sis t a n c ei ns e r i e so ns u b s t r a t es e l f b i a s ，a n df i n dt h ep h e n o m e n o no f s e f o s c i l l a t i o n w es t u d yt h ei n f l u e n c eo nt h es e l f b i a s t u n i n g c a p a c i t o rc u r v em a d eb y t h ea x i a lp l a c eo fs u b s t r a t e w ea l s os t u d yt h e s u b s t r a t es e l f - b i a sj u m p e dd e l a y ，d o u b l e - s t e a d yd e l a ya n ds e l f o s c i l l a t i o n e t cw i t ht h ec o n d i t i o no fc o p p e rb e l td i s c h a r g ea n t e n n a s ，a n dc o m p a r ew i t h d a t u mw h i c ha r eo b t a i n e dw i t ht h ec o n d i t i o no fr e dc o p p e rt u b ed i s c h a r g e a n t e n n a s b yu s i n gt h es e l f d e s i g n e dr fl a n g m u i rp r o b e t h ee l e c t r o n t e m p e r a t u r e ，t h ev e r t i c a la n dc r o s s w i s ed i s t r i b u t i o no fe l e c t r o nd e n s i t ya s w e l la si t sv a r i a t i o nw i t hp r e s s u r e ，p o w e ra n dt u n i n gs u b s t r a t es e l f b i a s a r em e a s u r e d w eu s ec a p a c i t i r ec o u p l i n gt om e a s u r et h es p a t i a lv o l t so f 一 大连理工大学硕士学位论文 p l a s m aw i t hd i f f e r e n td i s c h a r g ep o w e ra n dp r e s s u r e ，a n dg e t v o l t s d i s t r i b u t i o no fd i s c h a r g ea n t e n n aw i t ht h e s ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s t h ea b o v e r e s e a r c h e sp r o v i d en e c e s s a r ye x p e r i m e n t a ld a t u mf o rt h ef u t u r en u m e r a l i m i t a t i o n l a s t ，b yu s i n gt h et h e o r yo fp o s i t i v ef e e d b a c ka n dn o n 一1 i n e a r c h a r a c t e ro fc a p a c i t o ro fs u b s t r a t es h e a t hc o m b i n e db yt h er e l e v a n t e x p e r i m e n t a ld a t u ma n dt h e o r e t i c a lm o d e l ，t h ep h e n o m e n ao fs u b s t r a t es e l f - b i a sj u m p e dd e l a y ，d o u b l e s t e a d ya n ds e l f o s c i l l a t i o na r ee x p l a i n e d k e y w o r d s ：i n d u c t i v ec o u p l i n gp l a s m a ，t u n e ds u b s t r a t es e l f - b i a s ，r f l a n g m u i rp r o b e ，c a p a c i t i v ep r o b e ， 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士学位论文 引言 l 射频等离子体基片偏压研究背景及现状 按照射频天线耦合形式，可将射频等离子体分成电容耦合等离子体( c a p a c i t i v e c o u p l e dp l a s m a 简称c c p ) 和电感耦合等离子体( i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a 简称 i c p ) 。电容耦合等离子体是指等离子体中的射频电场是由射频天线或电极上的电压产 生的( 严格的讲，应该是静止电荷) ，由这种电场加速电子从而电离中性气体产生的等 离子体就是电容耦合等离子体。电感耦合等离子体是指等离子体中的射频电场是由射频 天线或电极的磁场产生的( 严格的讲，应该是运动电荷) ，由这种电场加速电子电离中 性气体而产生的等离子体就是感应耦合等离子体。射频感性耦合等离子体是一种重要的 低气压、高密度等离子体。同其它低气压、高密度等离子体源相比，i c p 源无需外磁 场，装置结构简单；耦合天线适于大面积扁平设计，便于多元阵列线性放大。因此， i c p 源不仅在微电子芯片刻蚀工艺，而且在大尺寸平面显示器刻蚀工艺、半导体和光电 子功能薄膜沉积、宽束强流离子源、全方位离子注入等重要领域得到了应用 1 ，“。 在i c p 源中，耦合天线上不仅存在可以产生感性耦合的射频电流，而且同时存在产 生容性耦合的射频电压 ”，射频电压所驱动的容性耦合射频电流由射频天线通过不同路 径而最终流向地，容陛耦合的重要影响之一是在与等离子体所接触的固体表面上形成射 频鞘层。当固体表面悬浮或接外电路( 含电容) 时，固体表面上可以产生射频自偏压。 在i c p 等离子体源中，基片台是各种被加工物体的载体，如果基片台外接隔直电 容，基片表面上形成射频鞘层，基片具有射频自偏压。在等离子体加工过程中，通过控 制基片射频自偏压的大小，可以控制等离子体对基片台轰击的能量。控制离子轰击能量 最简单的方法是直接在基片上外接一个偏置电源，通过调节偏置电源电压的大小来改变 离子的轰击能量。这种在等离子体源中外加偏置的方法，克服了离子轰击能量与等离子 体密度不能独立控制的缺点，是在应用中采用较多的一种方法。然而，该方法也有一些 缺点：一、i c p 放电中的容性射频电场与射频偏置电源的容性射频电场相耦合，使得偏 置电源的阻抗匹配困难；二、偏置电源只能提高离子轰击能量，而不能降低离子轰击能 量。 在基片电极上没有外加射频偏置电源的条件下，通过调节基片电极与地之间的外部 电路阻抗，可以改变流经此电路分支的容性耦合射频电流，从而影响基片电极的射频自 偏压、控制离子轰击能量n “。该方面的早期研究工作是在射频容性耦合等离子体源上 进行的卜“。j s l o g a n 首次在基片与地之间外加由电感、j s l o g a n 4 1 首次在基片与地 射频感应耦合等离子体调谐基片自偏压特性的实验研究 之间外加由电感、电容组成的串联电路，研究了外电路阻抗变化对调谐基片自偏压及薄 膜沉积、刻蚀的影响。此后，j h k e l l 嗣i 口w ，bp e n n e b a k d 6 l 建立了调谐基片自偏压与 外电路参量间的理论模型。研究射频基片调谐系统时，除了考虑在基片与地之间接一个 可调的电感和一个隔直电容外，还考虑到了在基片与地之间存在的大约为1 0 0 p f 的杂散 电容。l o u s a 给出了对应的简晰等效电路分析，利用等效电路对基片自偏压跳变现象进 行分析口 ，u r a n o 等人采用辅助射频电极的方法控n z c c p 密度和空间分布，得到的大面 积等离子体源【7 】。s o b o l e w s k 采用g e c ( g a se l e c t r i cd i s c h a r g ec o n f e r e n c e ) 装置，用激光 诱导荧光诊断的方法，研究了自由基密度空间分布与l c 调谐参数的关系f g j ；在国内，本 实验小组在射频感应耦合等离子体中研究了基片调谐自偏压，并发现了连续、跳变、自 振荡现象【1 4 j 。 2 a t 课题的提出及意义 在一定的放电位形下，研究小组已对基片自偏压的连续、双稳、自振荡进行了初 步研究，得到调谐基片自偏压的连续、双稳、自振荡等特性随射频放电功率、气压、气 体流量、外加电阻、上盖板电连接状态的变化规律 1o 】；发现了射频调谐基片自偏压特性 放电参数区域，研究了功率、气压、放电气体种类等对自振荡幅值、频率的影响，并结 合电路模型给出了定性的解释【1 4 】。 通过分析发现，串联电阻对基片自偏压的影响还没有完全清楚，高功率、高气压 下是否一直存在跳变、回滞现象：基片台空间位置对跳变、回浠是否存在影响，不同的 放电天线下连续、跳变、自振荡特性是否相同等情况还没有完全清楚，有待于进一步研 究；射频感应耦合等离子体的电子温度，电子密度，等离子体空间电位等状态参量的径 向、纵向分布以及这些参量随功率、气压、基片自偏压变化情况需要测量，缺乏相应的 实验据进行数值模拟，对基片自偏压特性研究缺乏更精确的理论分析。为了解决上述问 题，本实验小组需要进一步研究调谐基片自偏压的跳变、双稳回滞、自振荡特性；需要 改进实验装置，建立诊断测量系统来测量等离子体电子温度、电子密度、空间电位等参 量的空间分布及随气压、功率、基片自偏压的变化，为更精确的理论解释和数值模拟提 供实验数据。 利用外部调谐电路调节射频等离子体的基片自偏压；研究不同放电参数及装置位型 下基片调谐自偏压的连续、跳变、宫振荡特性，寻求控制基片调谐自偏压的方法，探索 调谐基片自偏压连续、跳变双稳、自振荡的非线性机理过程，为发展具有射频感应耦合 等离子体的低气压、高密度、大面积等优点的高性能等离子体源技术莫定实验基础，同 时能加深对射频等离子体物理及非线性现象的认识。为利用射频等离子体进行薄膜刻 一2 大连理工大学硕士学位论文 蚀、溅射沉积等工艺提供理论支持。对射频感应耦合等离子体基片调谐自偏压的研究具 有重要的理论及实践意义。 射频感应耦合等离子体调谐基片自偏压特性的实验研究 1 射频耦合等离子体及调谐基片自偏压特性 1 1 射频等离子体 按照射频电源同等离子体的耦合形式，可将射频等离子体分成电容耦合等离子体 和电感耦合等离子体。 电容耦合等离子体是指等离子体中的射频电场是由射频天线或电极上的电压产生 的( 严格的讲，应该是静止电荷) ，该射频电场性质同静电场，旋度为零 ( v x e ，= 0 ) ，电场的方向垂直于电极面，具有纵向场的特点。电场能量以纵向加热的 形式传递给电子，从而产生等离子体。在容性耦合射频等离子体中，振荡电场的空间分 布不是均匀的，等离子体中的射频振荡电场幅值小，等离子体鞘层中的射频振荡电场幅 值大。电子被约束在具有负电位降的双等离子体鞘层之间往复反弹，在等离子体区，电 子与小幅值的射频电场发生弱的相互作用，而在鞘层区与大幅值射频电场发生强相互作 用，后者的作用主导了容性耦合等离子体的能量传递。 电感耦合等离子体是指等离子体中的射频电场是由射频天线的磁场产生的。在典 型的感性耦合等离子体源中，天线射频电流在等离子体中产生射频磁场，交变的磁场产 生有旋度的感应电场( v x e 。0 ) 。在通常的天线位形下，感性耦合电场近乎平行绝缘 介质耦合窗口和其它真空室壁，电场能量以所谓横向加热的形式传递给电子，从而产生 等离子体。当没有等离子体时，射频磁场的分布接近直流恒定磁场。当具有导电性质的 等离子体存在时，射频波在等离子体表面产生趋肤效应，射频磁场以及感应电场仅存在 于趋肤层中，而不能深入到等离子体内部。当外磁场存在时，射频天线激发的波能以行 波的方式传输到等离子体内部。 1 1 1 射频等离子体自偏压 当绝缘介质或电极处于等离子体中时，由于通常等离子体中的电子运动速度远大 于离子运动速度，电子的逃逸速率大于离子逃逸速率。等离子体具有很强的维持电中性 的能力，在没有传导电流通过绝缘介质流向地的情况下，绝缘介质或电极表面的电子电 流、离子电流必须相等。为了抑制电子流而实现电中性，绝缘基片电位向负值方向漂 移，形成具有时间平均意义的自偏压。在实际的放电条件下，射频自偏压的波形不再是 标准的正弦波，这种畸变由等离子体鞘层的非线性造成。由频谱分析的观点理解，射频 自偏压的波形中包含高次谐频分量。 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 在平板装置的容性耦合等离子体中，两电极板实际上组成一个鞘层等离子体 鞘层结构电容。由于等离子体区阻抗较小，在等离子体区的射频压降也小：鞘层区阻抗 较大，射频压降组要降在该区。在存在隔直电容的条件下，鞘层压降的大小与电极面积 有关，电极面积越小，鞘层电位降越高。因此，可以通过改变电极面积比得至i 所希望的 电极鞘层电位降。对于上述电路情况下的鞘层电压降、等离子体内的空间电位分布 k o e n i n g 和m a i s s e l 曾经做过相当经典的研究“ 射频自偏压的重要意义在于，不仅在于能使绝缘电极放电，而且在亥4 蚀、沉积、 溅射时能加速离子使其有足够高的能量，并可籍改变自偏压控制离子能量以便为薄膜制 备或表面处理等项工艺所用。 1 2 射频感应耦合等离子体中调谐基片自偏压特性研究 如前所述，在所谓的感性耦合放电中，耦合天线上存在着射频电流，射频电流通 过感应耦合方式产生横向有旋电场，该电场加速电子而产生感应耦合等离子体；同时在 耦台天线上还存在着射频电压，射频电压通过容性耦合方式产生容性耦合等离子体。因 此，感应耦合等离子体中寄生蓉陛耦合，射频电感线圈中寄生的容性耦台在基片台表面 形成射频等离子体鞘层，使基片台表面具有一定的自偏压。通过控制该自偏压可以影响 等离子体加工的各种表面过程，因此基片偏压的特性研究具有重要的实践意义。 射频感应耦合等离子体中调谐基片是指在基片台上外接一个l c 串联电路，其中l 是固定电感，c 是可调电容，如图1 2 1 。随着调谐电容的增加，基片自偏压在不同的 外界条件下有一个跳变、双稳回滞、自振荡现象。对于基片自偏压跳变、双稳回滞、自 振荡特性本实验小组已经作了初步研究，得到相应结论。 射频感应耦合等离子体调谐基片自偏压特性的实验研究 图1 2 1 调谐基片电路示意图 1 2 1 调谐基片自偏压的跳变、双稳、回滞 跳变、双稳回滞是指在基片调谐电容增加的过程中，基片自偏压会逐渐增大到负 的最大值，继续增加调谐电容时，基片自偏压会上跳到上面的分支，在上面的曲线分 支，基片自偏压随调谐电容增加而缓慢增加；同样条件下，当调谐电容由大至f j 4 , 减小 时，基片偏压曲线并不在上跳电容值点发生下跳，而是在上面曲线分支稳定地缓慢减 小，在调谐电容减小到一定的电容间隔( 称为回滞区) 时才发生下跳，然后按原曲线返 回，在回滞区中的一个电容值，对应上下两个稳定状态，这就是它的双稳特性。回滞区 是指上跳时对应电容与下跳时对应电容之间的区域，上跳电容与下跳时对应电容值差称 之为回滞宽度。图1 2 2 典型的放电条件下基片自偏压随调谐电容变化曲线。当c ，由零 开始增加时，绝对值沿路径1 连续增加。当c t 增加至临界值c “- 时，y “6 沿路径2 产 生突变由负值上跳至正值。此后继续增加c ，”“6 沿路径3 缓漫增加且维持正值。在该 状态下减小q ，沿路径4 缓慢减小。当q 减小至c “t 时，没有回复到路径l 上 的对应电压值。将q 继续减小至另一临界值c o z 时，沿路径5 产生下跳。下跳后， 绝对值沿路径6 减小。 图1 2 2 典型的放电条件下基片自偏压随调谐电容变化曲线 6 一 大连理工大学硕士学位论文 研究发现射频功率、放电气压、气体流量、杂散电容、上盖板的电连接状态对跳 变时基片自偏压大小及对应的调谐电容值的大小、回滞宽度、自振荡的频率、振荡幅值 等都有影响。 图1 2 3 是在气压为1 0 p a 、流量为2 5 s c o r n 的放电条件下得到的回滞宽度随功率 的变化曲线；图1 2 4 是在同样的放电条件下得到的基片自偏压绝对值随功率的变化曲 线。c 品是指上跳变时对应得调谐电容值，c k ：是指下跳变时对应得调谐电容值。回滞 宽度是a c = c m c “2 t 释 图1 2 3 跳变回滞宽度随功率的变化 一7 射频感应耦合等离子体调谐基片自偏压特性的实验研究 p 删 图1 2 4 基片自偏压绝对值( 最小值) 随功率变化 由图1 2 3 可以看出，随着功率的增加，c 。的调谐电容和c 。时所对应的调谐电容 值在功率较小时，迅速下降；当功率增大到定值时，跳变时所对应的电容值减小的速 率较小，迟滞宽度( 是指上跳时所对应电容值减去下跳时所对应的电容值) 随着功率的 增加逐渐增加，在一定功率下，a c 达到最大值；在高功率下c 随功率变化较小。从 图1 2 4 可以看出跳交时基片自偏压的绝对值在小入射功率下，随着入射功率的增加迅 速增加；在一定功率时，跳变时基片自偏压绝对值达到最大；在高入射功率下，跳变时 对应基片自偏压绝对值随着功率的增加而减小。 研究表明基片自偏压随调谐电容变化时，跳变、迟滞现象并不是总出现，其存在 条件与放电气压、放电功率有关：在功率一定的情况下上跳，下跳临界调谐电容随气压 的变化，在中等气压下取得最小值，而回滞宽度随气压的增加而减小，基片自偏压的绝 对值在中等气压范围内取得最小值，在低气压和高气压区，基片自偏压绝对值相对较 大，随着放电气压的提高，出现跳变、迟滞的放电功率值提高。 在调谐电容为零时，气体流量的大小对基片自偏压调谐电容曲线影响较小； 调谐电容值越大，气体流量对该曲线的影响越大，当调谐电容值接近于上跳电容值时， 气体流量的大小通过对基片鞘层电容的影响而造成基片自偏压的跳变、回滞。 在同样的放电条件下( 射频输入功率、气压、流量、抽速等) ，上盖板接地对应 的基片自偏压调谐电容曲线与上盖板不接地时的曲线相比下移，也就是说上盖板接 地时跳变电容值要大于不接地时跳变电容值，而上盖板接地跳变时所对应的自偏压的绝 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 对值要大与上盖板不接地跳变时自偏压的绝对值，迟滞宽度有小量的加宽。因此，上盖 板的电连接对基片自偏压的跳变、回滞也有影响。 1 22 基片自偏压的自振荡 基片调谐偏压不仅具有跳变、双稳回滞现象，在一定条件下基片偏压还会出现振 荡现象。所谓振荡是指在一定的等离子体放电参数范围内，当外部调谐电容c 。处于一 定值域的中，基片自偏压发生一种低频振荡现象。对于这种现象已经作了一定的研究， 并得到相应的结论0 4 ，图i 2 5 是调谐基片自偏压的一种典型振荡波形 图1 2 5 调谐基片自偏压的一种典型振荡波形 基片上自偏压并不是在所有条件下都存在，而必须满足一定的条件才能产生，这 也是这种振荡难以发现的原因之一。振荡产生条件主要有两个：( a ) 等离子放电参 数；( b ) 外部调谐电路参数。即使产生了振荡，但如采用实验初期的指针式电压表，振荡 现象也难以被确切观察记录。 影响基片偏压振荡的等离子体放电参数主要有：放电功率、放电气压。研究表 明：只要气压、功率在一定范围内时，基片自偏压才能发生振荡。在大多数放电条件 下，无论如何调节外部调谐电容，都不会发生振荡现象。在研究中发现射频电源中 1 0 0 i l z 干扰对振荡的影响，在产生振荡的临界电容之下，基片偏压总是在1 0 0 h z 的上波 峰内产生尖峰，随着调谐电容的增加，尖峰数目增多，最后形成振荡。1 0 0 h z 干扰与振 荡的关系还不是很清楚，需要更好的射频功率源来进一步研究基片自偏压的振荡现象。 外部调谐电路参数主要指调谐电容的大小、电路的q 值。当功率、气压处于能使 基片自偏压振荡的值时，调谐电容处于正反馈区域时，能观察到基片自偏压的振荡现 象。实际上是基片分支的阻抗大小对振荡，在使基片发生振荡的功率、气压下，调谐电 一9 一 射频感应耦合等离子体调谐基片自偏压特性的实验研究 容处于一定值时，通过改变串联电阻大小应该也能使基片自偏压出现振荡现象。通过改 变基片串联电阻的大小，使基片自偏压出现振荡现象还没有发现，就待于进一步研究。 只有在一定放电参数范围之内，调节外部调谐电容，才有可能发生等离子体基片 调谐自偏压振荡现象。当心放电时，已经得到特性放电参数区域，如图1 2 6 。图中两 条线分别是连续区，振荡区、振荡区删噘区的分界线。当气压低于1 2 帕时，在本装置 射频电源可得到的最低放电功率下，自偏压不存在连续变化。当气压达到1 ，5 帕时，在 很窄的放电功率区域内产生开始出现振荡。 图1 2 6 发生自振荡的电功率与气压范围 随着气压的升高，能够发生振荡的放电功率区域逐渐变大，在5 帕左右时，达到 最大；其后，随着气压的升高，连续振荡分界线持续上升，而振荡例6 跃分界线却下 降，由此出现振荡的放电功率区域变窄。在气压一定的情况下，在跳变区随着功率的降 低，回滞宽度逐渐减小，当功率接近振荡区跳跃区的分界线时，回滞宽度减小到零； 研究发现自振荡频率幅值并不是一个固定不变的参数，也就是说随着外参量的变 化自振荡的频率和幅值也跟着变化。在振荡范围内，自振荡频率随着调谐电容的增加， 自振荡的频率也随着增加。 。1 0 一 大连理工大学硕士学位论文 分 c a ) 了 叮 c 翌 u _ c a p a d t a n o e 图1 2 7 自振荡频率与调谐电容的关系 而一般的振荡电路中频率与电容存在的关系为 f ：笔一 ( 1 5 ) 2 z r 、l c 振荡频率随调谐电容的增大而减小。因此，在等离子体基片调谐子偏压的振荡中，振荡 频率的确定不能简单的借鉴一般的振荡电路理论。基片偏压的振荡幅值也不是一个固定 不变的参量，随着调谐电容的增加，振荡幅值减小 一 自振荡频率和幅值除与外部调谐电容有关外，还受放电气压和放电功率的影响。 在功率增加时，上波峰的变化不大，而下波峰随功率增加而减小，整个振荡幅值随着功 率增加而增大。在功率一定的情况下，通过调节流量来改变气压。可以看到气压对振幅 的影响。随着气压的升高，上波峰变化较小，而下波峰随着气压的升高逐渐增大，从而 整个振荡幅值随着气压的升高而减小。但是气压和功率对振荡频率的影响远小于调谐电 容对振荡频率的影响。 不同的放电气体种类对振荡的产生也有很重要的影响。氧化性强的气体更容易发 生自振荡或者说振荡参数区域更宽。射频等离子体包含的低频电磁波( 1 0 0 h z 干扰) 对 自振荡的产生具有一定的触发作用。研究表明，越接近产生振荡的临界电容值，1 0 0 h z 干扰电磁波的幅值越大，并且在1 0 0 h z 干扰电磁波的上波峰产生越来越多的尖峰，最后 形成稳定的振荡。 射频感应耦合等离子体调谐基片自偏压特性的实验研究 2 实验装置及诊断系统 2 1 实验装置 本文的i c p 实验装置如下图所示。射频源的频率为1 3 5 6 m h z ，输出功率范围为 5 - 1 5 0 0 w 。射频天线采用了柱面耦合，分别在一匝铜带天线( 长9 3 5 m m 宽5 5 m m 厚 o 5 m m ) 和两匝空心紫铜管天线( 0 8 x o 1 r a m ) 时研究了基片偏压的连续、跳变、振 荡，铜带由电风扇冷却降低射频电流加热造成铜带升温对等离子体稳定性的影响，而空 心铜管通水冷却降低射频电流加热造成的温升。真空室的上端为金属铝盖板( 0 3 5 0 x 1 5 r a m ) ，在通常情况下上盖板处于与地绝缘的悬浮状态。上部真空室为耐热玻璃桶 ( 0 2 7 3 x 4 5 0 x 5 m m ) ，放莺在下部不锈钢真空室( 0 4 5 0 x 2 5 0 m m ) 之上。圆形偏置基 片电极由不锈钢制作而成，外罩聚四氟乙烯材料制作的绝缘体，绝缘体外又罩着由不锈 钢制作的屏蔽罩，系统主要部分放置在金属屏蔽罩之内，以降低射频电磁场对其他测量 仪器、电路的干扰。放电气体经过三路质量流量控制器、均流环进入真空室。抽气系统 由前级机械泵( 8 ) 和分子泵( 4 0 0 1 s ) 组成，气体气压高于o 1 p a 时由z d r - 1 型真空 计读出，低于o 1 p a 时，改用电离真空计给出。 图2 1 射频等离子体实验装置示意图 一1 2 大连理工大学硕士学位论文 装置配有以下诊断：( i ) 改进射频l a n g m u i r 探针，利用此探针能测量等离子体 的电子温度，离子密度，电子密度等级这些参量的二维分布；( 2 ) 改进后的容性探 针，该探针能测量等离子体得直流空间电位和射频空间电位；( 3 ) 调谐基片自偏压的 连续、跳变、自振荡现象的观察利用示波器( t e k t r o n i xt d s 3 0 5 2 b 型，该示波器带宽为 1 0 0 m h z ，灵敏度高，并具有上网功能，利用这项功能，既可通过计算机控制示波器，又 可方便地把数据导出。) 、高压探头( t e k t r o n i xi 0 0 0 倍衰减，型号p f 0 1 5 a ，该探头的 输入阻抗高达1 0 0 m q ，而输入电容不到3 p f ，带宽大于1 0 0 m h z ) 和改进后的低通滤波 器，该滤波器是低通滤波器，能滤去1 m e 王z 以上的高频信号，只保留低频信号。 2 2 实验装置改进和诊断系统建立 对实验装置中的射频功率源进行了改进，研究了匹配网络对射频感性耦合等离子 体容性耦合的影响。建立了由改进的射频l a n g m u i r 探针、容性探针和滤波电路和示波 器汀e k t r o n i xt d s 3 0 5 2 b 型) 构成的诊断测量系统。 22 i 对射频功率源的改进 在过去研究基片自偏压的振荡行为时发现【旧】，在一定的等离子体放电状态下，在 串联共振点附近，基片自偏压的电压组成中，有一种1 0 0 h z 、3 0 0 h z 的干扰电压出现。 经分析认为三相交流电经过变压器升压，输出电压经三相全桥整流产生1 0 0 h z 、3 0 0h z 电压波形，该电压波形和射频电压一起加到射频天线上，这样产生的等离子体中包含 1 0 0 h z 、3 0 0 h z 电压波形，在基片自偏压中出现。为了鼻清楚该干扰与振荡之间的关 系，通过给原射频功率源板压电路增加新的滤波电路，减小了1 0 0 1 1 z 、3 0 0h z 电压波形 输出。 图2 2 1 是射频功率源原有板压电路添加新的滤波电路前后的直流电压输出波形。 由图可知：在没有加自制滤波电路时，板压输出的直流电压波形中纹波电压占直流电压 的1 0 左右，输出直流电压中包含5 0 h z 、1 0 0 h z 、3 0 0 h z 波形，这时等离子体的悬浮电 位中( i c p 源) 3 0 0 h z 交流电压约占整个悬浮电位的5 0 ；加上自制的“兀”型滤波电 路，纹波电压占输出直流电压的3 左右，测量等离子的悬浮电位中3 0 0 h z 交流电压约 占等离子的悬浮电位1 0 。 1 3 射频感应耦合等离子体调谐基片自偏压特性的实验研究 图2 2 1 板压输出波形比较 由此可见，通过给射频功率源原有板压电路的基础上增加新的滤波电路，能减小 了板压直流输出中3 0 0 h z 的纹波电压所占比例，相应的减小了输出功率中3 0 0 h z 电磁 波对等离子体的影响，进而改进了射频功率源，减小了射频等离子体源中3 0 0 h z 交流电 压大小。 2 2 2 匹配网络对射频感性耦合等离子体容性耦合的影响 本实验小组在实验过程中发现，在相同放电条件( 气压、功率等) 下，不同的匹 配方式对射频感应耦合等离子体容性强弱有明显影响，而射频感应耦合等离子体的容性 强弱影响着探针测量结果。为了找到一个较好的实验状态和测量环境，本实验小组对 i c p 的匹配方式进行了研究。在射频放电天线和地之间另串联可调电容c 3 ，与可调电容 c l 、c 2 组成新的匹配网络( 图2 2 2 ) 。其中l 为放电线圈等效电感，c 3 和c 1 最大值大 小相等( 4 0 0 p f ) ，c 2 最大值为1 0 0 0 v f ，且都可调。该调谐电路称为对称双电容调谐电 路。 一1 4 一)|一e订=o 大连理工大学硕士学位论文 p d 图2 2 2 对称双电容调谐电路 在入射功率为i o o w ，反射功率为o w ，气压一定，在保持c 2 不变的情况下，c 3 和c 1 大小是成反比关系，也就是说在放电气压、输入功率和反射功率不变的条件下， 当c 1 值较小时，c 3 较大；在c i 较大时，要保持同样的入射和反射功率c 3 值较小，如 图2 2 3 。 图2 2 3 匹配电容大小关系 一1 5 射频感应耦合等离子体调谐基片自偏压特性的实验研究 c 1 ( p f ) 图2 2 4 等离子体悬浮电位与匹配电容c l 的关系 图2 2 4 是在放电功率、放电气压、匹配电容c ：，c 3 一定的情况下，射频感应耦 合等离子体悬浮电位随匹配电容c 。变化。由图可以看出悬浮电位在匹配电容c 1 较小时 随着c 1 的增加而减小；当c ，和c 3 大小接近相等时等离子体悬浮电位最小；再增加匹 配电容c t 悬浮电位随c l 增加而增加。经分析，由于c 2 较大近似认为a 、d 两端电压为 零。当c 3 和c 1 大小相等时，电容c 1 两端电压降和c 3 两端电压降大小相等，极性相 反，也就是说b 、c 两端的电压大小相等，极性相反，在一个放电周期内放电天线上电 压有整有负，放电天线一射频感应耦合等离子体鞘层可对电子吸收和排斥，这时射频感 应耦合等离子体容性相对较弱，这样的状态下，真空室壁溅射较弱，测量时探针尖不易 被真空室壁溅射物污染：如没有c 3 ，放电天线电压在一个周期内降只能保持一个极 性，因此只能吸收或斥电子，这时真空室壁溅射较强，易造成探针进的污染，影响测量 结果。 2 2 3 射频l a n g m u i r 探针 为了测量等离子体的电子温度、电子密度二维空间分布，本实验小组比较了各种 测量方法发现：与其微波、光谱测量相比，是一种相对简单、成本相对较低的测量低压 等离子体参量的诊断工具，因此研究制作了射频a n g a u i r 探针。 对于直流放电、微波等离子体，探针尖与等离子体之间鞘层电势是直流电压降， 可以利用简单的理论结合探针测量得到伏安特性曲线的方便的计算出等离子体电势、悬 浮电位、电子温度、电子密度等参量。对于射频等离子体来说，由于探针尖与等离子体 之间的鞘层电势中既包括维持电中性的直流负偏压，还有射频电极产生的射频电压。如 不考虑鞘层射频压降的影响，利用伏安特性曲线计算等离子体参量，相应理论较复杂且 1 6 大连理工大学硕士学位论文 计算量较大。为了利用简单的理论来计算射频等离子体参量，需要减小探针尖鞘层电压 降中射频压降对伏安特性曲线的影响。为此，特制能在1 3 5 6 m h z 发生并联共振的l c 调谐电路，由并联共振知识可知，这时l c 调谐电路阻抗接近于无穷大，探针尖鞘层中 射频压降主要降在l c 调谐电路，这样就减小探针尖鞘层射频压降对伏安特性曲线的影 响。图2 2 5 是射频信号通过自制的l c 调谐线圈前后的波形。由波形可以看出，信号 通过线圈前主要是1 3 5 6 m i - i z 信号，由于调谐线圈的作用，1 3 5 6 m h z 信号主要降在调 谐线圈上，仅剩二倍频和多倍频信号，该信号幅值较小。 图2 2 5 调谐线圈对射频信号的影响 图2 2 6 、2 2 7 是测量等离子体参量时用的射频l a n g m u i r 探针结构示意图和调谐电 路原理图。 1 7 一)obl石 射频感应耦合等离子体调谐基片自偏压特性的实验研究 图2 2 4 射频l a n g m u i r 探针结构示意图 z 自感线圈阻抗 嚣瓣：耧葬爨勰窑z 口等离子体探轩尖阻抗 z g 探针一地阻抗 图2 2 5 调谐电路原理图 由图2 2 4 可以看出探针制作了l 型探针，能够利用该射频l a n g m u i r 探针测量等 离子体参量的二维空间分布。探针尖采用钨丝，钨丝长1 0 m m ，半径0 1 9 m m 。探针尖后 部连接陶瓷绝缘套( 长2 0 m m ，直径7 0 m m ，厚0 2 2 m r n ) ，绝缘套外部为不锈钢套( 长 2 0 m m ，直径7 4 m m ，厚0 2 2 m m ) 。由调谐电路原理图知，该金属套与等离子体间形成一个 大电容c 2 ，相应降低了探针尖与等离子体鞘层之间的阻抗，使等离子体到探针尖鞘层 上的射频压降减小，减小了探针尖射频压降对i _ _ v 特性曲线影响。由于金属套具有进 一步降低探针尖鞘层射频电压的补偿作用，在射频探针结构中称之为射频补偿电极。补 偿电极后内置l c 调谐线圈，该线圈能在1 3 5 6 m h z 时产生并联共振，因此可以增加探 针尖与等离子体鞘层阻抗，减小加探针尖与等离子体鞘层射频压降。尽量减小该l c 调 谐线圈与探针尖相连距离，由原理图2 2 5 可知，如l c 调谐线圈与探针尖相连距离较 大，杂散电容值c 。较大或者z s 较小任，g _ r 4 射频电流就可以通过该电容回到地，不能 减小探针尖与等离子体鞘层射频压降，l c 调谐线圈失去减小探针尖与等离子体鞘层射 频压降作用。 探针测量控制软件采用了s m a r t p r o b e 刑软件。通过软件控制能调节加到探针上的 扫描电压，扫描电压范围为9 5 v ；能利用此软件控制探针进行实时采集，并可设置两 1 8 大连理工大学硕士学位论文 次采集之间的时间间隔；通过此软件可以控制每个扫描电压值对应的电流值个数，然后 平均产生一个数据点：此软件具有对探针尖进行加热功能，用来保持探针尖的干净；控 制软件有一系列的分析i v 特性曲线得到等离子体参量的分析理论，可以对i _ v 特性曲 线进行分析得到相应的代拟能量分布曲线。 利用本探针测量过程中发现在同样的放电功率、气压下，探针测量参数设置都相 同的情况下，第一次测量结果和第二次测量结果相差很大，重复次数越多，结果相差约 大，测量得到的伏安特性曲线变化也很大，也就是说探针测量的重复性较差。通过实验 发现影响测量重复性的原因主要有两个：1 、由于感应耦合等离子体既既有感应耦合同 时还存在很强的容性耦合，容性耦合的存在使真空室壁出现溅射，溅射物沉积至u 探针 尖，造成探针进的污染，也影响测量结果的重复性；2 、探针尖的温度对测量结果有一 定的影响。刚开始测量时，探针尖温度较低，随着测量时间的增加，探针尖温度逐渐增 高，造成二次电子发射增强，对测量结果的重复性会产生一定的影响。 调节所加扫描电压范围可以对n 车- f 尖进行溅射，可以对探针尖进行加热( 本实验测 量过程中，探针尖通过保持加热) ，用来清洗探针尖，使探针尖在测量的过程中保持干 净并且测量时探针尖温度相同。 为了解决上述影响，测量过程中利用探针软件c l e a no n 功能始终保持给探针尖 加热，使探针尖在测量过程中保持相同的温度，通