（等离子体物理专业论文）射频感应耦合氩等离子体的langmuir探针和发射光谱诊断.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本实验采用自制l a n g m u i r 探针和发射光谱对柱面射频感应耦合氩气等离子体进行 了诊断。实验中，研究了在线圈之间什么也不加时等离子体参数在一定功率下随气压在 轴向、径向的变化规律，同时采用发射光谱测量了a r 原子和离子的发光强度随气压在 轴向的变化规律。还研究了会切场对等离子体参数的影响，测量了有无会切场时等离子 体参数在径向和轴向随气压和功率的变化规律，并且将测量的结果做了比较。 线圈之间什么都不加时，由l a n g m u i r 探针的测量结果可知在放电室中上部形成均 匀稳定的高密度等离子体，但是在靶附近有所降低，并且在中部以下等离子体逐渐减弱： 在径向6 7c m 以内等离子体参数变化不大，参数在器壁处变化明显。并且采用发射光 谱测量了等离子体中7 5 0 3n l t i 的氩原子的发光强度随气压在轴向的变化规律，还得到了 4 3 4 8r l l n 的氩离子发光强度随气压在轴向的变化规律和4 3 4 8n l n 的氩离子与4 3 0 0n n l 的氩原子发光强度的比值在三个不同位置随气压的变化规律。 实验中还研究了会切磁场存在时对等离子体参数的影响。在实验中发现，当线圈之 间加磁铁时存在功率吸收问题，为保证与加磁场时相同的条件，所以在线圈之间加不锈 钢圈来代表无磁场时的情况，以实现相同的功率吸收。经l a n g m u i r 探针测量在线圈之 间加会切场后等离子体密度在轴向逐渐增加，在顶部趋于饱和，并且密度值比无磁场时 明显增加；在径向，等离体密度逐渐增加，在器壁附近达到最大值，且此处的磁场最强， 在器壁处迅速降低，取得最小值。随着功率的增加，器壁处电子温度降低，密度增加， 径向分布有更加均匀的趋势。当无磁场时，等离子体在径向逐渐降低，在器壁附近开始 迅速降低，在器壁处取得最小值，磁场的存在使得等离子体径向分布更加均匀。实验中 还研究了有无会切场存在时电子温度和等离子体电势随气压和功率的在轴向和径向的 变化规律。等离子体参数的空间分布不均匀，与到靶的距离有关。 关键词：感应耦合等离子体；l a n g m u ir 探针；发射光谱；等离体参数；空间分布 大连理工大学硕士学位论文 t h ed i a g n o s eo fr a d i of r e q u e n c yi n d u c t i v ec o u p l e da rp l a s m aw i t h l a n g m i u rp r o b ea n de m i s s i o ns p e c t r u m a b s t r a c t f o rt h e e x p e r i m e n t ，t h ec y l i n d r i c a lr a d i of r e q u e n c y ( r f ) i n d u c t i v e l yc o u p l e da r g o n p l a s m ah a sb e e ns t u d i e db yl a n g m u i rp r o b ea n de m i s s i o ns p e c t r u m i nt h ee x p e r i m e n t ，t h e p a r a m e t e r so ft h ep l a s m av a r i e sw i t hp r e s s u r ei na x i a la n dr a d i a ld i r e c t i o nh a sb e e nm e a s u r e d w h i c ht h e r ei sn o t h i n ga d d i n gb e t w e e nt h ea n t e n n ac o i l s t h ee m i s s i o ni n t e n s i t yo fa ra t o m a n da r + i o nv a r i e sw i t hp r e s s u r ei na x i a ld i r e c t i o nw e r ea l s om e a s u r e d t h ee f f e c to fc u s p m a g n e t i cf i e l dt op l a s m aw a ss t u d i e d t h ep l a s m ap a r a m e t e r sw i t ha n dw i t h o u tc u s pm a g n e t i c f i e l dh a v em e a s u r e dw h i c hv a r i e sw i t hp r e s s u r ea n dp o w e ri na x i a la n dr a d i a ld i r e c t i o n ，a n d t h ec o m p a r i s o n so f t h e ma r ea l s os h o w e d w h e nn o t h i n gi sa d d e db e t w e e na n t e n n ac o i l s ，b ym e a s u r i n gi tc a nk n o wi tp r o d u c e u n i f o r m ，s t a b l ea n dh i g hd e n s i t yp l a s m ai nt h em i d d l ea n dt o po f t h ed i s c h a r g ec h a m b e r ，b u ti t f a l l sa tt h et a r g e t ，a n db e l o wt h em i d d l eo ft h ec h a m b e rt h ep l a s m aw e a k e n ss l o w l y ；i nr a d i a l o f 由一7c mt h ep l a s m ap a r a m e t e r sa r ec h a n g es l i g h t l y a l s op r o d u c eu n i f o r ms t a b l ep l a s m a t h ep a r a m e t e r sc h a n g er a p i d l ya tt h ee d g eo ft h ec h a m b e r a n du s i n gt h ee m i s s i o ns p e c t r a m e a s u r e dt h ei n t e n s i t yo fa ra t o mo f7 5 0 1 3n mi np l a s m ai na x i sw i t hp r e s s u r e t h ei n t e n s i t y o fa r + i o no f4 3 4 8n mv a r i e dw i t ht h ep r e s s u r ei nt h ea x i sa n dt h er a t i oo f4 3 4 8n i na r + i o n t ot h e4 3 0 0n ma ra t o mv a r i e dw i t hp r e s s u r ei nt h r e ep o s i t i o no ft h ea x i sw e r ea l s om e a s u r e d t h ee f f e c to ft h ec u s pm a g n e t i cf i e l dt ot h ep l a s m ah a sb e e ns t u d i e di nt h ee x p e r i m e n t i nt h e e x p e r i m e n t ，i tw a sf o u n dt h a tw h e na d d i n gt h em a g n e t sb e 饥v e c nt h ea n t e n n ac o i l s ，t h er f p o w e rw i l lb ea b s o r b e db yt h e m ，f o rt h es a m ec o n d i t i o nw i t ha d d i n gc u s pm a g n e t i cf i e l ds o t h ec o n d i t i o no fw i t h o u tc u s pm a g n e t i cf i e l di si n s t e a do fb ya d d i n gs t a i n l e s ss t e e lr i n g s w h e na d d i n gt h ec u s pm a g n e t i cf i e l db e t w e e nt h ea n t e n n ac o i l s ，t h ep l a s m ad e n s i t yi n c r e a s e d g r a d u a l l yi na x i a ld i r e c t i o n a n dt h ev a l u e sa r el a r g e rt h a nw i t h o u tm a g n e t i cf i e l do b v i o u s l y i nr a d i a ld i r e c t i o n ，t h ep l a s m ad e n s i t yi n c r e a s e dg r a d u a l l y ，a n dr e a c h e di t sm a x i m u mn e a rt h e c h a m b e rw a l lw h e r et h es t r e n g t ho ft h em a g n e t i cf i e l di sl a r g e s t b u ta tc h a m b e rw a l lt h e p l a s m ad e n s i t yd e c r e a s e dr a p i d l ya n dr e a c h e d t h em i n i m u m w i t h o u tt h ec u s pm a g n e t i cf i e l d ， t h ep l a s m ad e n s i t yd e c r e a s e dr a p i d l yn e a rt h ec h a m b e ra n da l s or e a c h e dt h em i n i m u ma tt h e w a l l t h ep l a s m ad e n s i t yi n c r e a s e da n dt h ed i s t r i b u t i o ni nr a d i a ld i r e c t i o nb e c a m em o r e u n i f o r mw h e na d d i n gt h ec u s pm a g n e t i cf i e l d i nt h ee x p e r i m e n t ，t h ee l e c t r o nt e m p e r a t u r e p l a s m ap o t e n t i a lv a r i e dw i t l lp r e s s u r ea n dp o w e r i na x i a la n dr a d i a ld i r e c t i o nw i t ha n dw i t h o u t 射频感应耦台等离子体的l a n g m u i r 探针和发射光谱诊断 c u s pm a g n e t i cf i e l dw a sa l s om e a s u r e d t h ed i s t r i b u t i o n so ft h ep l a s m ap a r a m e t e r sa r en o t u n i f o r m t h e yd e p e n do nt h ed i s t a n c et ot h et a r g e t k e yw o r d s ：i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a ：l a n g m u i rp r o b e ；e m i s s i o ns p e c t r u m ；p l a s m a p a r a m e t e r s ；s p a t i a ld i s t r i b u t i o n 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，除了文中特另, 1 3 n 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 工大学或者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：丝j 垒日期：幽，z 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名 拯逢 ( 乏庭 k 2 年上月上日 大连理工大学硕士学位论文 1 引言 1 1 射频感应耦合等离子体的概况 感应耦合等离子体( 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 ) 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。感应耦合采用绕在放电管 上的线圈代替电极，借高频磁场在放电管中产生的感应电场来产生等离子体。显然，这 都无需将金属电极直接放在放电空间，也就防止了因溅射现象而造成污染，因而可以得 到均匀而纯净的等离子体，这对化学反应来说是至关重要的，特别适用高纯度物质的制 备和加工。但是也需注意，放电功率将会受放电管与电极( 或线圈) 问耦合程度的限制。 感应耦合等离子体是一种重要的低气压，高密度等离子体，并且是无电极放电，在新技 术方面很有吸引力，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【l 捌。 如果交流放电的频率较低( 如5 0h z - ) l 十k h z ) 则每个半周期都经历击穿，维持 和熄灭过程。完全相当予正负电极交替的直流放电。当频率增加到1m h z 左右时，放 电不再经历击穿到熄灭的全过程，而成为一种极性变换的连续放电。两个电极附近都会 出现负辉区和鞘层区。而正柱区出现在电极问的中部。当频率提高到1 1 0 0m h z 之间 时，将产生射频放电，这时外加电场的变化周期小于电离和消电离所需时间( 1 0 - 6 秒) 等离子体浓度来不及发生变化。外加电场极性的变化只是使带电粒子加速度的方向变 化，使电离能力显著提高，击穿电压明显降低。所以射频放电的自持比直流放电容易的 多。另一方面，由于正离子质量大，运动速度低，跟不上电源极性的变化，可以认为其 在空间不动，并形成很强的空间正电荷，对放电起增强作用。在射频放电过程中，这些 原因使电极上的y 过程( 正离子轰击阴极而发射次级电子) 不再像直流辉光放电中那样 重要，甚至完全不起作用。甚至将电极移到放电室外面，同样能产生射频放电。 图1 1 为高频等离子体发生装置的方框示意图。其中高频振荡器必须能承受负载阻 抗的大幅度变化。从振荡器发出的信号先经过缓冲放大器放大，在经功率放大后输出。 为了使负载阻抗能与高频电源的输出阻抗匹配，高频电源与放电管之间所加的阻抗匹配 网络是必要的。但向放电气体供给放电所需功率的方式却可以多种多样。 射频感应耦合等离子体的l a n g m u i r 探针和发射光谱诊断 锷r 图1 1 高频等离子体发生装置方框图 f i 9 1 1t h ep a n ef i g u r eo f t h ef f p l a s m as e t t i n g 1 1 1 高频放电的效率 高频放电在增强电离和维持放电等方面较之直流辉光放电有效的多。这已被许多实 验事实所证明。 首先，随着频率的增加，能够产生自持放电的最低允许气压明显下降。当频率为1 3 5 6 m h z 时，气压低于1 3 3 x1 0 - 1p a 尚可维持放电。再如，放电气压相同时，高频放电的 放电阻抗比直流时减小。其结果是在给定的放电电压下流过的电流显著增大。这些非同 寻常的电离现象是与高频放电中电子的运动行为密切相关的。 设在平行板电极间加高频电场e ，且 e = e 0 c o s w t ( 1 1 ) 式中，玩为电场幅值，为角频率。那么对一个沿x 轴振荡的电子来说，其运动方程 为 研。害：鸭c o s c a t ( 1 2 ) 研c 矿2 枷o 8 ( 1 2 式中，m 。为电子质量，p 为电子电荷。显然，对式( 1 2 ) 求积分可得电子的运动速度 拿：一堕s i n 耐( 1 3 ) d t m f ( - 0 可见电子速度比电场位相滞后9 0 。再次积分可得位移方程 x ：缉c o s c o t( 1 4 ) m f m 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 此式表明，假如是在无碰撞的情况下，电子便将作振幅为弛0 ：，角频率为国的谐振 m f 凹 。、2 运动，并且电子的运动可表示为 m j 譬i ，这也是电场强度的函数。由以上各式可见， “l 电场强度和频率是决定电子运动行为的重要参量。当放电频率为1 3 5 6 姗1 z 时不同场强 下电子的振幅和所能获得最大能量列于表卜1 。 表1 - 1 高频电场中电子振荡的振幅和最大动能 电场强度振幅最高速度最大动能 ( v c m )( c m )( c m s )( e v ) 0 10 0 22 1 1 0 0i 1 3 x l o _ j lo 2 42 1 1 0 1 1 3 1 0 咀 1 02 4 22 1 x 1 1 1 3 1 0 1 1 0 02 4 22 1 x 1 旷 1 1 3 1 0 1 0 0 02 4 22 i 1 0 1 01 1 3 x 1 0 5 忽略相对论效应 当然，在实际采用的放电气压下肯定会发生碰撞的。若仅从电离的角度来看，例如 为使a r 原子电离，电子至少获得1 5 7e v 的能量。按表中数据，电场强度只要比1 0v c m 略高就行了。但是，在此能量范围的电子弹性碰撞截面约为1 0 - ”c m ，而电离截面则要 小约两个数量级，因此就发生等离子体而言，必须要有比1 0v c m 强的多得电场。 关于增强电离的机制问题，m a c d o n a l d 和t e t e n b a u m 曾提出，若电子发生弹性碰撞 的时间能与电场位相适当配合的话，电子能被持续加速。一种最为理想的情况是，就在 电子与氩原子发生弹性碰撞并改变其运动方向的瞬间，恰好电场换向。这将使电子的速 度和能量得以连续增长。若按这种机制，即使在相当弱的电场中电子也能获得相当于电 离能的能量值。这种机制被普遍认为是微波放电中能有效地产生大量电离的主要缘由， 电场频率在数千个兆赫兹范围最为有利。也可用来说明1 3 5 6m h z 这样频率范围的电离 过程。 h o l l a n d 等做过与上面相同的计算并认为，由器壁和阴极发射的二次电子被离子鞘 加速后进入辉光放电区成为电子的附加来源。这时电子与器壁的碰撞起着微波放电中弹 性碰撞的同样作用。本质上也属于二次电子的倍增现象，只不过依赖于器壁发射的二次 电子。如果在二次电子放出时恰好电场换向达到相位一直的话，便能有效地增进电离。 射频感应耦合等离子体的l a n g m u i r 探针和发射光谱诊断 这乃是一种共振现象。综合许多高频溅射装置的实例估计，为要产生这种共振现象，对 高频电场峰一峰值1 0 0 0v 而言，频率和电极间隙的乘积约需达到数百m h z c m 。 另一种值得注意的电离增强机制是冲浪( s u r fr i d i n g ) 效应。高频电场能使电极 处的鞘层忽而增长，忽而减小。也就是说，会使鞘层电压和鞘层不断发生“涨落”变化。 设与等离子体交接的鞘界面以速度振荡，那么辉光中的电子向这个方向变动着的鞘层 面入射来的情形，恰好如同电子与大体积的重离子相碰撞一样。设垂直于鞘界面方向的 电子速度为吃，那么考虑到相对速度，与特重粒子碰撞的轻粒子将以2 倍的碰撞速度离 去，因而碰撞后的电子被弹回辉光区的速度可表示为也+ 2 v ，) 。这表明，电子从振荡鞘 层获得了能量，于是可以认为，在鞘层振荡界面处“冲浪”的电子也能起增强电离的作 用【3 5 1 。 1 1 2 射频等离子体的匹配网络 在高频放电回路中，为了增加用于放电区的功率消耗保护振荡器，常规的做法就是 在高频电源与辉光放电反应器之间设置阻抗匹配网络。以便可以按不同放电条件进行调 节，使得高频发生器的输出阻抗与负载阻抗能够匹配。 众所周知，对一个带负载的直流回路来说，负载匹配条件是必须让外电路的负载电 阻与电源内阻相等。直流回路的这一最大功率定理实际上也存在于相应的交流回路中。 设电源内阻抗( 即输出阻抗) 为( a q b ) o ，那么为了在负载上获得最大的功率输 出，就的使负载阻抗与高频发生器输出阻抗“共轭匹配”。共轭匹配的结果就是把总阻 抗变成纯电阻的，这意味着负载阻抗z 必须等于( a - j b ) q 。 实际上为了不使回路中流过较大的射频电流，通常把高频发生器的输出阻抗设计成 纯电阻的。阻值大都为5 0q 。但是一般来说，高频放电阻抗为电容性阻抗，且其值将 随气压等放电条件而变化。这就需要调节匹配网络的阻抗和放电阻抗相加合，使加合后 的模拟负载的阻抗与高频发生器输出阻抗相一致，这样就实现匹配了。也就是说，实际 上要根据放电条件来调节匹配网络，使模拟负载也等于5 0q 。此外，为了避免匹配网 络与放电反应器之间因反射而流过较大的无效电流，以致造成不必要的功率损耗，匹配 网络的位置要尽可能地靠近放电反应器m j 。 图1 2 是典型的三种匹配网络。 一4 - 大连理工大学硕士学位论文 ( a ) 万型匹配( b ) 上型匹配 ( c ) ，型匹配 图1 2 射频等离子体源传输线中的典型匹配网络 f i 9 1 2t h em a t c hn e ti nt r a n s m i s s i o nl i n eo f t h er f p l a s m as o u i 在一般情况下，负载阻抗不等于传输线的特征阻抗，即传输线与负载不匹配。此时， 传输线上将存在由入射波和反射波叠加产生的柱波。当柱波存在时，传输线的功率容量 降低，会增加传输线的损耗，而且还会损坏射频源的电子元件，同时，负载也不能得到 全部的入射功率。射频的放电电源和放电阻抗之间必须采用匹配网络实现阻抗匹配，重 要性在于：尽可能增加放电负载吸收电源提供的能量；保护射频电源，防止不匹配引起 的功率反射而损坏电源。 1 1 3 射频等离子体的自偏压 当放电频率足够高时，经若干周期达到稳定放电后，高频电极在每个周期的绝大部 分时间内都将处于负电位，对地形成一个确定的负电位，这就叫高频电极的自偏压现象。 高频电极自偏压起因于放电中的电子迁移率与离子迁移率的巨大差异，以致在给定的时 间内电子能得到更大的速度。从而在给定的电场下电子能输送更多的电流。换句话说， 为了输送一定的电流，电子所需要的电场要小得多。在刚开始时，电极上无负偏压，则 在射频正半周期吸引电子，负半周期吸引离子。由于也 v ，故电子电流远远大于离子 电流，这使电极积累负电荷，所以电极电位变负。电极处于某负电位时，射频电压与此 直流负偏压叠加，结果在一个射频周期内，电极处于正电位的时间缩短，处于负电位的 时间变长，因而收集到的电子数减少，收集的离子数却有所增加，但是电子数仍远远大 于离子数，电极继续变负。这一过程在负偏压达到某一特定值时结束。此时在一个射频 周期内，到达电极上的电子数与到达电极上的离子数相等。 高频电极自偏压得重要意义在于，能加速离子使其具有足够高的能量，并可藉改变 自偏压控制离子能量以便为薄膜制各或表面处理等项目工艺目的所用。另一方面，几乎 一5 一 射频感应耦合等离子体的l a n g m u i ri 采针 和发射光谱诊断 连续的离子轰击则可大大提高工艺效率。不难发现这与直流辉光放电中阴极电位降的作 用相似，而且在数值上也具有相同的数量级，但是高频自偏压显然更为有效。 - o 0 0 0 0 0 0 9 - 0 0 0 0 0 0 0 6 - 0 0 0 0 0 0 0 30 0 0 0 0 o o o 0 3 t i m e i s ) 图1 3 用示波器所测得的自偏压 f i 9 1 3t h es e l f v o l t a g em e a s u r e db yo s c i l l o g r a p h 图1 3 是用示波器所测得的探针表面的自偏压。由图可知，此自偏压为正值，而不 是像以上所述的为负值。如图1 4 所示，当两个驱动电极悬浮时，根据鞘层电压降面积 比模型( 假定通过两电极的电流相等) 【3 哪 i i = a l 以= a 1 e i e l d l = 以以= 以p ：k ： 被加速后的离子的速度： k = 厝 假定两电极鞘层边缘处：n t = n 2 a i 、= 1 2 即4 e l l n 巧1 = 4 e n 。2 k 2 可得 kr 以、2 芎2 i 利 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 巧= ，巧= 一圪 此即鞘层电压降的电极面积比模型。 由图可知，( 圪一虼) 即为射频的自偏压。 彤2 叱2 。一l n 堕 删。 所以当圪增大，t 减小时，射频自偏压便有可能取得正值。并且在本实验中，等离子 体电势一直维持一个较高的值，电子温度值也属于是正常值，所以在实验中所测得的自 偏压值为正。 图1 4 容性耦合射频鞘层、等离子体内的空间电位分布 f i 9 1 4t h ed i s t r i b u t i o no f t i es p a c ev o l t a g ei ns h e a t hp l a s m ao f c a p a c i t a n c ec o u p l e 1 1 4 射频感应耦合等离子体的天线 按照天线的类型可将感应耦合等离子体分为两类，一种是平面感应耦合等离子体 2 2 , 2 3 1 ，线圈绕成一个平面置于放电室顶部，在真空室上部形成高密度等离子保，一种是 柱面感应耦合等离子体，线圈围绕真空室【1 2 】或者在真空室内部阱，2 让6 】，每砸线圈都能产 射频感应耦合等离子体的l a n g r n u i r 探针和发射光谱诊断 生等离子体，所以在整个线圈包含的体积内都能产生等离子体。如果线圈置于真空室内 部，溅射的线圈原子可能会引入杂质原予而影响沉积薄膜的质量，对于外置的天线，也 可产生高密度等离子体，是一种很值得研究的类型。 等离子体源真空室 同 ? ：| 。t 源真空室 。 ( 金属桶) b ) 平面天线 图1 5 两种典型的射频天线 f i 9 1 5t w ot y p i c a lr f a n t e n n a 如图1 5a ) 是柱面天线的情况，等离子体在线圈包含的区域内产生等离子体，1 5b ) 是平面天线的情况，等离子体是由最上方的线圈产生的。 一8 - 大连理工大学硕士学位论文 等离子体的均匀性可以通过加磁铁而变得更好。因为电子的质量较小，可以通过加 磁场来约束电子的运动，电子围绕磁力线运动，运动路程增加，碰撞几率增加，所以等 离子体的密度增加。还可以通过加磁铁来控制电子的运动来改变电子的分布，从而使等 离子体的分布更加均匀。这种方法已经被广泛用于磁电管 3 1 ，i c p 4 ，e c r n 等等。测量 结果显示，加磁场可以使等离子体的密度增加两倍，并且等离子体参数的空间分布也变 得更加均匀。w w a n gj f o s t e re t c 4 在一个磁控溅射铜的射频感应耦合等离子体的系统 中加多极磁铁的磁场来增加离子的密度，最终等离子体的密度增加了两倍。p e t r p a t e n k a a n di g o rl e i p n e r 咖【6 】比较了一个平面磁控溅射系统加磁场约束和不加时的等离子体参 数，他们证实，附加磁场的约束使电子的密度增加了两倍，并且在他们所测量的位置电 子温度也被大大的增加。 1 2 探针的简单介绍 为了保证过程的可控性和实验的可重复性，我们需要对内部的等离子体参数有更深 入的了解，有很多的诊断工具可以达到此目的，比如l a n g i n u i r 探针【4 ，- 2 2 6 1 ，发射光谱1 2 2 1 ， 吸收光谱【2 刀等等，其中l a n g m u i r 探针尤其适合得到等离子体离子密度n i ，电子温度t e 和等离予体电势v p 阴。把小金属导体插入等离子体中，根据给出的与等离子体空间电位 之间的电位羞，从它的i v 特性可以测出等离子体的电子密度、离子密度、电子温度和 等离子体电位等。这个金属导体称为探极或探针。有用于电极放在等离子体中的放电用 单探针和主要用于无极放电的双探针，还有利用由于热电子发射，探针电流在等离子体 电位附近急剧变化，使等离子体电位更准确的热电子发射探针等。探针的材料要具有熔 点高，耐带电粒子轰击的铂。钨，钼或不锈钢制作。金属探针要悬在玻璃或陶瓷等绝缘 管中。由于探针材料的溅射，绝缘管和探针接触，测试时，应防止探针的表面形状的变 化和漏电流的增 j i l t 3 8 。关于探针的粗细，原则上讲，愈细愈好。因为探针愈细对等离子 体的干扰就愈小。目前已有采用直径为微米量级的探针。但是，太细了，制作起来很困 难。通常，采用直径为零点零几毫米至零点几毫米，长度为若干毫米。 朗缪尔探针最简单的形状不过是一根插入等离子体中的裸丝。因为它十分简单和容 易制造，常常用作等离子体的诊断手段。它测量的电子电流依赖于它相对于等离予体电 位的偏置。在很多的情况下，电流电压( i v ) 特性曲线的细节可与无探针时的等离子 体参数有关。虽然探针干扰它周围的局部环境，但它还是能在非常宽的等离子体参数范 围内测量电子温度t e ，电子密度n c ，等离子体电位v p ，以及电子和离子束的能量。等 离子体密度从1 0 0 到1 0 1 3c m - 3 ，温度从0 ie v 到百c v ，等离子体电位从o 1v 到几个 k v ，中性气体压强从小于1 驴t o r t 到大于it o r t ，这样宽的范围内，探针都能满意工作。 射频感应耦合等离子体的l a n g m u i r 探针和发射光谱诊断 朗缪尔探针的适用条件是电中性的等离子体空间，电子浓度和正离子浓度相等，电 子与正离子的速度满足麦克斯韦分布，其温度分别为t e 和t i 。鞘层厚度比探针蔼积线 度小，即鞘层厚度小于探针线度( 这样可以忽略边缘效应，近似认为鞘层表面积等于探 针表面积) 。电子与离子的平均自由程比鞘层的厚度大( 这样可忽略等离子体中粒子的 散射激发和电离) 。探针材料与气体不发生化学反应。探针表面没有热电子发射与次级 电子发射。不存在源磁场。 由于探针收集电流和发射而引起的对周围局部环境的干扰，使对朗缪尔探