李欣昱，吳集盾，黃曉江

(東華大學(xué) 理學(xué)院，上海 201620)

雙頻容性耦合等離子體(dual-frequency capacitively coupled plasma，DF-CCP)的裝置簡(jiǎn)單，且能夠?qū)﹄x子通量和能量分別進(jìn)行獨(dú)立控制，因此被廣泛應(yīng)用于介質(zhì)刻蝕生產(chǎn)線。但DF-CCP還有許多問題尚待解決和研究，例如等離子體的均勻性、兩個(gè)電源的接入方式等都是其研究的重點(diǎn)。其中關(guān)于兩個(gè)電源接入方式如單極雙頻(兩個(gè)射頻電源接在一個(gè)電極上)和雙極雙頻(兩個(gè)射頻電源接在兩個(gè)電極上)的研究，大多采用數(shù)值模擬得出電子溫度和密度的分布[1-5]。姜巍[4]采用單極雙頻的方式對(duì)容性耦合等離子體(CCP)進(jìn)行模擬研究，得到電極間距為2.50 cm條件下電子溫度和密度的軸向分布。Bi[5]采用模擬方法研究放電間距與雙頻接入方式對(duì)CCP的影響，結(jié)果表明：隨著放電間距的增大，電子密度隨之增加，徑向電子密度均勻性也逐漸變好；單極雙頻放電時(shí)連接電源的電極附近區(qū)域電子密度較高，雙極雙頻放電時(shí)高頻電極附近區(qū)域的電子密度較高；雙極雙頻放電時(shí)的電子密度高于單極雙頻放電時(shí)的電子密度。

試驗(yàn)研究基本上是測(cè)量等離子體中心區(qū)域的電子溫度和密度。袁強(qiáng)華等[6]使用13.56和94.92 MHz電源進(jìn)行雙極雙頻的氬等離子體放電研究，測(cè)量了中心區(qū)域電子溫度隨高、低頻功率變化的曲線。劉文耀[7]在雙頻容性耦合碳氟等離子體的光學(xué)診斷研究中，單極雙頻放電下利用發(fā)射光譜內(nèi)標(biāo)法測(cè)得等離子體密度隨高頻電源頻率及氣壓變化的曲線圖。

在試驗(yàn)研究中，由于裝置等因素的限制，電極間距難以改變并且調(diào)節(jié)范圍較小，針對(duì)大間距放電的研究以模擬為主。Yang等[8]等通過模擬方式研究了改變電極間距對(duì)等離子體的影響，選取的電源為單頻13.56 MHz，電極間距為0～100 mm，研究發(fā)現(xiàn)，電子密度呈雙峰結(jié)構(gòu)，在兩側(cè)鞘層的電離率最高，并且隨著電極間距增大，電離率下降。You等[9]采用試驗(yàn)方法研究13.56 MHz電源放電時(shí)電極間距效應(yīng)引起的等離子體能量分布的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電極間距較小時(shí)，低能電子能夠被有效加熱，其中選取的最大電極間距為100 mm，是迄今為止間隙范圍較大的試驗(yàn)研究。

本文采用試驗(yàn)方法，利用發(fā)射光譜結(jié)合碰撞輻射模型獲得了雙頻(27.12和2.00 MHz)電源放電時(shí)氬CCP中電子溫度和密度的軸向分布，并對(duì)比研究了單極雙頻和雙極雙頻兩種電源接入方式時(shí)CCP中電子溫度和密度隨高、低頻功率和電極間距(30～100 mm)的變化情況。

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括直徑為60 mm石英真空腔體、兩個(gè)直徑為50 mm的不銹鋼平板電極、射頻電源以及進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)。采用兩種不同電源接入方式時(shí)放電裝置的真空腔體、兩個(gè)電極和射頻電源的示意圖如圖1所示，其中右側(cè)為固定電極，左側(cè)電極可通過在放電前未抽真空的環(huán)境下在0～100 mm內(nèi)自由拉伸來(lái)調(diào)節(jié)電極間距。電源使用頻率為27.12和2.00 MHz的RSG500型射頻電源進(jìn)行雙頻組合放電，根據(jù)試驗(yàn)需求選擇單極雙頻或雙極雙頻兩種接入形式。

圖1 不同電源接入方式的雙頻容性耦合等離子體放電裝置圖Fig.1 Dual-frequency capacitively coupled plasma discharge device diagram with different power supply access modes

由圖1(a)可知，單極雙頻時(shí)兩個(gè)不同頻率的電源通過混頻器一同接入右側(cè)的電極，左側(cè)電極接地，其中混頻器可以減少高、低頻電源之間的串?dāng)_。由圖1(b)可知，雙極雙頻時(shí)高頻電源接入右側(cè)的電極，低頻電源接入左側(cè)電極，為了進(jìn)行對(duì)比，同樣在右側(cè)接入了混頻器。側(cè)面軸向中心位置有可以移動(dòng)定位的光纖接口，接入AvaSpec-2048TEC型發(fā)射光譜儀的光纖來(lái)采集發(fā)射光譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)。光譜儀分辨率為0.12 nm，測(cè)量范圍為200～950 nm。本試驗(yàn)中，采用純氬氣體(>99.995%)放電，流量為20 mL/min，機(jī)械泵抽氣使氣壓穩(wěn)定在20 Pa。光譜儀在軸向兩個(gè)電極間每間隔0.5 mm采集光譜，然后選取氬的波長(zhǎng)分別為696.5和750.4 nm的兩個(gè)峰，得到這兩個(gè)波長(zhǎng)譜線強(qiáng)度的軸向分布。再利用氬的碰撞輻射模型(CR Model)[10],通過計(jì)算獲得氬等離子體的電子溫度和電子密度的軸向分布。

2 結(jié)果與討論

2.1 高、低頻電源功率對(duì)軸向電子密度和電子溫度的影響

在氣壓為20 Pa、電極間距為30 mm時(shí)，以單極雙頻的電源接入方式進(jìn)行氬等離子體放電，電子密度和電子溫度的軸向分布隨高、低頻電源功率的變化如圖2所示。

圖2 單極雙頻電源放電時(shí)電子密度和電子溫度的軸向分布Fig.2 Axial distribution of electron density and electron temperature in unipolar dual-frequency power supply discharge

由圖2(a)可知：保持高頻27.12 MHz電源的功率為40 W時(shí)，在20～60 W內(nèi)改變低頻2 .00 MHz電源的功率，對(duì)應(yīng)的電子密度的變化范圍較小；而保持低頻2.00 MHz電源的功率為40 W時(shí)，在20～60 W內(nèi)改變高頻27.12 MHz電源的功率，對(duì)應(yīng)的電子密度變化范圍較大。由此說明，在使用單極雙頻的電源接入方式時(shí)，高頻電源的功率對(duì)電子密度的影響比低頻電源功率大，這是因?yàn)楦哳l電源功率的增加會(huì)使鞘層變薄和電子密度增大。由圖2(b)可知，高頻電源功率對(duì)電子溫度的影響也要比低頻電源功率大。這是因?yàn)殡娮用芏仍黾拥耐瑫r(shí)，電子碰撞加劇，電子溫度下降。

DF-CCP的優(yōu)點(diǎn)是高頻電源能夠獲得較高的等離子體密度，達(dá)到獨(dú)立控制電子密度的目的。所得的試驗(yàn)現(xiàn)象也說明了高頻電源主要控制電子密度，但實(shí)際上低頻電源功率的變化也會(huì)對(duì)電子密度有一定影響，因此在實(shí)際的雙頻放電中，高、低頻是未完全解耦的。

在同等條件下，當(dāng)雙極雙頻電源接入方式時(shí)，電子密度和電子溫度的軸向分布隨高、低頻電源功率的變化如圖3所示。由圖3可知，雙極雙頻電源放電與單極雙頻電源放電有類似的趨勢(shì)，高頻電源功率對(duì)電子密度和電子溫度的影響都比低頻電源功率大。

圖3 雙極雙頻電源放電時(shí)電子密度和電子溫度的軸向分布Fig.3 Axial distribution of electron density and electron temperature in bipolar dual-frequency power supply discharge

2.2 高、低頻電源接入方式對(duì)軸向電子密度和電子溫度的影響

將單極雙頻和雙極雙頻電源放電時(shí)電子密度和電子溫度軸向分布進(jìn)行比較，如圖4所示。

圖4 不同電源接入方式放電時(shí)的電子密度和電子溫度的軸向分布對(duì)比Fig.4 Comparison of axial distribution of electron density and electron temperature in different power supply access modes

由圖4(a)可知，在電極間距和高、低頻電源功率等放電參數(shù)都一致的情況下，使用雙極雙頻電源接入方式放電時(shí)的電子密度比使用單極雙頻電源接入方式明顯要高得多。這是因?yàn)槭褂秒p極雙頻電源接入方式時(shí)，右側(cè)電極接入27.12 MHz頻率的電源，左側(cè)電極接入了2.00 MHz頻率的電源，周圍器壁是石英玻璃介質(zhì)，電子在器壁上的損失較少，而使用單極雙頻電源接入方式時(shí)，右側(cè)電極同時(shí)接入兩個(gè)射頻電源，左側(cè)電極接地，在接地電極上會(huì)存在電子的損失。由圖4(b)可知，由于使用雙極雙頻電源接入方式放電時(shí)的電子密度較高，電子碰撞加劇，在一定功率下電子溫度會(huì)較低，在電極間距和電源接入方式等放電參數(shù)都一致且總功率100 W不變的情況下，高頻電源功率比重更大時(shí)，電子密度更大，而電子溫度則更低。

2.3 電極間距對(duì)軸向電子密度和電子溫度的影響

當(dāng)氣壓為20 Pa、高頻27.12 MHz電源功率為60 W和低頻2.00 MHz電源功率為40 W時(shí)，以單極雙頻電源接入方式放電時(shí)電子溫度和電子密度隨電極間距變化的軸向分布如圖5所示。

圖5 單極雙頻電源放電時(shí)的電子溫度和電子密度隨電極間距變化的軸向分布Fig.5 Axial distribution of electron temperature and electron density in unipolar dual-frequency power supply discharge

由圖5(a)可知，電子溫度在兩側(cè)鞘層部分較高，中間等離子體主體區(qū)域較低，并趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)榍蕦舆吘壊糠值碾妶?chǎng)更強(qiáng)，對(duì)電子的加熱更為明顯，而等離子體的主體區(qū)域電子通過碰撞后趨于平衡，溫度有所降低，隨著電極間距的增加，等離子體主體區(qū)域的電子溫度有所下降。這是由于電極間距較小時(shí)，兩個(gè)極板間的電場(chǎng)較強(qiáng)，有利于電子的加熱，而電極間距增大后電場(chǎng)也會(huì)隨之變?nèi)?，電子溫度略微降低。這與You等[9]使用13.56 MHz電源在較高的氣壓下放電時(shí)的結(jié)果一致，即電極間距減小會(huì)引起電子溫度升高。在等離子體放電過程中，由于冉紹爾-湯森德效應(yīng)[11]，低能電子的彈性碰撞截面很小，在通過等離子體時(shí)能夠不發(fā)生碰撞，從而發(fā)生共振加熱；而高能電子在通過等離子體時(shí)，由于各種碰撞過程變成各向同性的電子，無(wú)法發(fā)生共振加熱。因此，在電極間距較小時(shí)，低能電子的平均溫度相對(duì)較高。

由圖5(b)可知，等離子體的電子密度在兩側(cè)鞘層部分較低，中間的等離子體主體區(qū)域較高，且趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)榍蕦觾蓚?cè)的電子溫度較高，在一定功率下，電子密度就會(huì)相對(duì)較低，隨著電極間距的增大，等離子體放電區(qū)域體積變大，主體區(qū)域的密度就會(huì)略微下降，在左側(cè)接地電極即圖5(b)中右側(cè)有一個(gè)明顯的下降趨勢(shì)，這是由于接地電極一側(cè)的電子損失會(huì)較多。

當(dāng)氣壓為20 Pa、高頻27.12 MHz電源功率為60 W和低頻2.00 MHz電源功率為40 W時(shí)，以雙極雙頻電源接入方式進(jìn)行氬等離子體放電時(shí)，電子溫度和電子密度隨電極間距變化的軸向分布如圖6所示。由圖6可以看出，電子溫度和電子密度的變化趨勢(shì)與單極雙頻電源接入方式時(shí)大致相同：電子溫度在兩側(cè)鞘層部分較高，中間等離子體主體區(qū)域較低，并趨于平穩(wěn)，且隨著電極間距的增加，等離子體主體區(qū)域的電子溫度略微下降；電子密度在兩側(cè)鞘層部分較低，中間的等離子體主體區(qū)域較高，且趨于平穩(wěn)。

圖6 雙極雙頻電源放電時(shí)的電子溫度和電子密度隨電極間距變化的軸向分布Fig.6 Axial distribution of electron temperature and electron density in bipolar dual-frequency power supply discharge

隨著電極間距的增大，等離子體放電區(qū)域體積變大，主體區(qū)域的電子密度就會(huì)有所下降。這是因?yàn)槭褂秒p極雙頻電源接入方式放電時(shí)，兩個(gè)電極都接入了射頻電源，周圍器壁是石英玻璃介質(zhì)，電子在器壁上的損失較單極雙頻時(shí)少，而使用單極雙頻電源接入方式時(shí)，一個(gè)電極同時(shí)接入了兩個(gè)射頻電源，另一個(gè)電極接地，在接地電極上電子損失會(huì)更多，相對(duì)而言電子密度就較低。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文采用27.12和2.00 MHz雙頻電源組合放電試驗(yàn)，對(duì)比了單極雙頻和雙極雙頻兩種不同電源接入方式對(duì)氬等離子體的電子溫度和密度軸向分布的影響。從整體上看，高頻電源功率對(duì)電子密度的影響比低頻電源功率大，在相同的高、低頻電源功率下，雙極雙頻時(shí)的電子密度比單極雙頻時(shí)的高，電子溫度則較低。這是因?yàn)殡p極雙頻時(shí)兩個(gè)電極都接了射頻電源，周圍器壁是石英玻璃介質(zhì)，電子在器壁上的損失較單極雙頻時(shí)少，而單極雙頻時(shí)一個(gè)電極通過混頻器同時(shí)接入了兩個(gè)射頻電源，另一個(gè)接地，在接地電極上電子損失會(huì)更大一些。從電子密度的軸向分布來(lái)看，雙極雙頻時(shí)的中間等離子體主體區(qū)域的電子密度更加平穩(wěn)和對(duì)稱，而單極雙頻時(shí)靠接地電極一側(cè)電子密度有一些下降，這也與在接地電極附近電子相對(duì)損失較多以及高、低頻電源在混頻器上干擾等因素有關(guān)。因此，雙極雙頻電源放電時(shí)電子溫度和電子密度在電極間的分布更加對(duì)稱和平穩(wěn)，說明雙極雙頻接法對(duì)電子約束更好，使得高頻電源和低頻電源饋入等離子體的效率更高。