螺旋波等離子體在材料中的應(yīng)用

黃港

【摘 要】等離子體是物質(zhì)存在的又一種基本形態(tài)，產(chǎn)生等離子體的方式也多種多樣。螺旋波等離子體源作為一種高密度源，該等離子體源中螺旋波由射頻天線激勵(lì)并沿軸向磁場(chǎng)方向在有限直徑的圓柱形等離子體柱中傳播，具有哨聲波和橫波模式結(jié)構(gòu)，由于其電離效率高、磁場(chǎng)約束低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在材料領(lǐng)域都有著非常廣闊的應(yīng)用前景。本文主要介紹了螺旋波等離子體基本特征，包括色散關(guān)系以及天線特征。在材料應(yīng)用方面，針對(duì)國(guó)內(nèi)外螺旋波等離子體薄膜沉積和刻蝕技術(shù)的研究進(jìn)行了基本綜述。

【關(guān)鍵詞】螺旋波;高密度等離子體;等離子體-材料相互作用;應(yīng)用

1.前言

人們現(xiàn)在知曉的三種物質(zhì)狀態(tài)（固、液、氣）在一定狀況下是可以相互轉(zhuǎn)換的，固體加熱到了一定溫度會(huì)變?yōu)橐后w，液體加熱到了一定溫度會(huì)變?yōu)闅怏w，如果對(duì)氣體采取某種加熱手段，使氣體分子離解和電離[1]，這時(shí)物質(zhì)會(huì)變成帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成的一團(tuán)均勻的流體，它的正負(fù)電荷總量相等，因此它是近似電中性的，所以就叫等離子體。

現(xiàn)階段有許多產(chǎn)生等離子體的方式，螺旋波等離子體源因?yàn)槠潆婋x效率高、磁場(chǎng)約束低等優(yōu)勢(shì)已經(jīng)開(kāi)始廣受人們關(guān)注。因此，這種優(yōu)勢(shì)的高密度源有多種應(yīng)用，如在材料領(lǐng)域中應(yīng)用其進(jìn)行薄膜沉積和刻蝕，在航空航天領(lǐng)域的等離子體推力器等。目前所有的螺旋波等離子體材料處理設(shè)備中，處理腔室都被設(shè)計(jì)在源區(qū)的下游。在螺旋波放電中，典型的等離子體電位值非常低，約15-20v，與電子回旋共振類似，但它所需的磁感應(yīng)強(qiáng)度比電子回旋共振所需的875Gs低得多[2]。國(guó)內(nèi)的研究人員們對(duì)螺旋波等離子體在許多不同的方向開(kāi)展了研究，隨著螺旋波等離子體逐漸受到重視，在未來(lái)會(huì)有著非常大的應(yīng)用和潛力價(jià)值。

2.螺旋波等離子體的基本特征

螺旋波是在有限直徑、軸向磁化的圓柱形等離子體中傳播的具有哨聲波模式的波，它由射頻驅(qū)動(dòng)天線激發(fā)，并通過(guò)石英管發(fā)射到等離子體中，在那里螺旋波具有橫波模式，并沿著等離子體柱傳播，電磁波的能量則通過(guò)碰撞或無(wú)碰撞阻尼被電子吸收，促進(jìn)等離子體的產(chǎn)生[2]。其頻率比電子回旋頻率大，比離子回旋頻率小。

2.1.螺旋波的色散關(guān)系

螺旋波模式是由與磁場(chǎng)B0成同一角度傳播的多個(gè)低頻哨聲波疊加而成的[2]，其色散關(guān)系式：

a為管徑，對(duì)于給定的n0、B0，色散關(guān)系就是一條直線，或者對(duì)于給定的ω、k，n/B 就是常數(shù)。例如，實(shí)驗(yàn)上如果ω、B0固定，k就由天線長(zhǎng)度確定[2]。Ef為電離截面峰值，氬氣為50ev，氫氣為80ev，氧氣為90ev[3]。

2.2.天線

天線是螺旋波等離子體源中不可或缺的一部分，利用天線的特殊結(jié)構(gòu)可以向等離子體發(fā)射螺旋波。天線結(jié)構(gòu)的改變會(huì)導(dǎo)致螺旋波相速度的變化，此變化又會(huì)對(duì)螺旋波等離子體的電場(chǎng)和磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)造成影響，最終影響功率沉積和能量耦合，所以對(duì)不同種類的天線進(jìn)行研究是非常有意義的。現(xiàn)階段到目前為止，在國(guó)內(nèi)杜丹等人[4]針對(duì)天線長(zhǎng)度對(duì)波吸收和傳播的影響進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明了天線的軸向長(zhǎng)度與總輻射能量和輻射電阻有一定關(guān)系。平蘭蘭等人[5]根據(jù)功率沉積和能量耦合對(duì)天線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出了最佳的結(jié)構(gòu)與尺寸。Ph.Guittienne等人[6]研究了一種新型鳥(niǎo)籠型天線，相比與傳統(tǒng)天線有更好的效果。

2.2.1.Boswell型天線

Boswell型天線是螺旋波等離子體源中最為典型的天線之一，圖2-1為Boswell型天線，該天線能夠在橫向產(chǎn)生射頻磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)通過(guò)耦合到波磁場(chǎng)的徑向分量來(lái)激勵(lì)螺旋波[7]。

2.2.2.名古屋型天線

Chen在對(duì)螺旋波等離子體了解后，產(chǎn)生了極大的興趣，在天線進(jìn)行了大量的研究，感興趣的讀者可以參考Chen1992年的文章。名古屋型天線的方位角模數(shù)為1，如圖2-2所示，為全波長(zhǎng)的名古屋型天線，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中我們通常使用這個(gè)天線的一半就足夠了。電流從中心流出，繞著等離子體到達(dá)頂部，這時(shí)等離子體會(huì)感應(yīng)出與電流方向相反電場(chǎng)Em，在電場(chǎng)Em的作用下正負(fù)電荷發(fā)生分離，電子向天線末端移動(dòng)，形成一個(gè)射頻電場(chǎng)Es，與此同時(shí)，底部附近產(chǎn)生了相反的電流和電荷。在軸向上，Em和Es方向相反并基本完全抵消，在徑向上，由于空間電荷的影響，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)垂直與B0的電場(chǎng)，方向與Em相同，在這兩個(gè)電場(chǎng)的疊加下，可以將能量耦合給螺旋波。

除上述兩種典型天線以外，左螺旋型天線以及右螺旋型天線也是比較常規(guī)的天線。在這幾種天線中，半波長(zhǎng)的右螺旋型天線效率最高。研究表明天線長(zhǎng)度為螺旋波波長(zhǎng)一半、或一半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)電源能量耦合效率最高，天線長(zhǎng)度為螺旋波波長(zhǎng)、或一半波長(zhǎng)偶數(shù)倍時(shí)耦合效率最低[8]。

3.螺旋波等離子體在材料中應(yīng)用

3.1.薄膜沉積

由于螺旋波等離子體高效率、高密度以及磁場(chǎng)約束大等特點(diǎn)，利用螺旋波等離子體進(jìn)行薄膜沉積具有諸多優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)螺旋波等離子體薄膜沉積的研究也比較重視，開(kāi)展了較多實(shí)驗(yàn)。

于威等人[9]采用螺旋波等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)，以SiH4作為源反應(yīng)氣體在Si和玻璃襯底上制備了納米Si薄膜。結(jié)果表明，襯底溫度與納米薄膜的質(zhì)量有關(guān)系，在較低的溫度下，顆粒大小保持在4-8mm之間，樣品的表面光滑，晶粒分布均勻，所獲得的納米Si薄膜質(zhì)量高。隨著襯底溫度的提高，薄膜晶化度和晶粒尺寸的增加。G.S.Fu等人[10]研究了ZnO的薄膜生成，結(jié)果表明ZnO薄膜有著很好的c軸擇優(yōu)取向，通過(guò)霍爾效應(yīng)的測(cè)量的結(jié)果顯示，沉積薄膜的遷移率可達(dá)到5cm2/（v.s）[10]。C Sarra-Bournet等人[11]利用在Ar/O2/N2混合氣體，采用螺旋波等離子在以玻璃和硅片為基底上沉積了二氧化鈦薄膜。研究結(jié)果表明，在低溫條件下可以制備出結(jié)晶態(tài)二氧化鈦薄膜，同時(shí)利用氮可以控制所需的晶體結(jié)構(gòu)。蘇州大學(xué)於俊等人[12]采用不同比例N2/Ar螺旋波等離子體對(duì)Si表面進(jìn)行氮化處理合成SiON。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度為室溫時(shí)，內(nèi)層以Si3N4為主，外層以SiON為主[12]，并且隨著N2含量的增多表面會(huì)越來(lái)越平整，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了樣品表面疏水性能與等離子體的處理有一定關(guān)系，當(dāng)使用等離子體處理后，疏水性能提高。蘇州大學(xué)錢嘉偉[13]使用螺旋波等離子體源在硅襯底表面快速沉積碳納米材料。結(jié)果顯示，隨著磁場(chǎng)的增加，薄膜生長(zhǎng)速率隨著等離子體密度變化增加而增加，并且當(dāng)薄膜在2100Gs時(shí)，最低摩擦系數(shù)為0.005。當(dāng)磁場(chǎng)變大時(shí)，薄膜也更為致密[13]。季佩宇等人[14]通過(guò)Ar/CH4螺旋波等離子化學(xué)氣相沉積法制備了垂直石墨烯納米片，通過(guò)改變生長(zhǎng)時(shí)間實(shí)現(xiàn)了對(duì)垂直石墨烯納米片參數(shù)的調(diào)制。結(jié)果表明，垂直石墨烯納米片的高度隨時(shí)間呈現(xiàn)線性變化，由4min時(shí)的1.2μm增加到25min時(shí)的6.2μm，平均生長(zhǎng)速率為0.26μm/min。隨生長(zhǎng)時(shí)間的增加，垂直石墨烯納米片尺寸增加，最終導(dǎo)致結(jié)晶度增加。

3.2.刻蝕

在刻蝕上相較于電容耦合等離子體源與電感耦合等離子體源，螺旋波等離子體源有著更加高的電子密度，而高密度的等離子體源可以有效的提高刻蝕速率。Chen在早些年提出[15]以迷你放電為基本單元的大型陣列螺旋波等離子體源，在擴(kuò)展區(qū)中兩邊通過(guò)電磁鐵對(duì)等離子體進(jìn)行改善徑向約束，從而進(jìn)行刻蝕由于需要很大的電磁鐵，這種裝置不適合大規(guī)模制造，也沒(méi)有被半導(dǎo)體工業(yè)采用。但關(guān)于螺旋波等離子體的刻蝕研究沒(méi)有就此停止。

H.Kitagawa等人[16]通過(guò)NF3螺旋波等離子體對(duì)硅進(jìn)行刻蝕研究。結(jié)果表明，氣壓會(huì)影響硅的刻蝕速率，氣壓越低，刻蝕速率也越低，并且腔室中的低磁場(chǎng)會(huì)使刻蝕變得更加均勻。Jung-Hyung Kim等人[17]研究了脈沖調(diào)制螺旋波等離子體中的多晶硅刻蝕。研究發(fā)現(xiàn)，在脈沖模式下與自偏壓成正比的抗蝕率高于連續(xù)模式。通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)制頻率可提高刻蝕速率和選擇性。P.Chabert等人[18]研究了SF6螺旋波等離子體對(duì)4H-SiC的刻蝕速率與氣壓、功率、襯底偏置電壓、基片臺(tái)及螺旋波源間距的關(guān)系。在確保良好均勻性的前提下，最高刻蝕速率達(dá)到1.35μm/min在4H-SiC基片上的刻蝕深度為330μm。Hyoun Woo Kim等人[19]利用O2/Cl2螺旋波等離子體刻蝕Ru進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，當(dāng)Cl2/（O2+Cl2）氣體流量為20%時(shí)，達(dá)到最大刻蝕速率0.00056μm/min。腔室壓力對(duì)Ru的刻蝕速率也有很大影響。Ru的刻蝕速率隨著壓力增加而增加。在高壓下，存在較多自由基，產(chǎn)生較多揮發(fā)性的RuO4是提高刻蝕速率的原因。他們針對(duì)ICP和HWP兩種不同等離子體源對(duì)Ru的刻蝕也做了研究[20]，結(jié)果表明，無(wú)論在哪種等離子體源下，Ru的刻蝕速率在Cl2/（O2+Cl2）氣體流量比0.1-0.3范圍內(nèi)達(dá)到最大值，且隨總氣體流量的增加而增加。ICP刻蝕Ru表面為純Ru，而螺旋等離子體刻蝕Ru表面為非晶和RuO2組成。J.Sporre[21]等人采用螺旋波氫等離子體對(duì)EUV光學(xué)元件Sn刻蝕做了相關(guān)研究，結(jié)果表明，在2000W的射頻功率下，可以在6分鐘內(nèi)從一個(gè)1cm2基板上完全蝕刻超過(guò)240mm的錫，蝕刻速率約為38mm/min。

4.結(jié)論以及未來(lái)展望

本文主要針對(duì)等離子體與材料的相互作用，介紹了一種高密度的螺旋波等離子體源。首先，介紹了螺旋波等離子體的基本特征，討論了螺旋波的色散關(guān)系、天線種類以及原理，這些特征對(duì)于理解螺旋波等離子體是非常必要的。而后，對(duì)螺旋波等離子體在材料領(lǐng)域中的研究進(jìn)行了綜述。

對(duì)于未來(lái)螺旋波等離子體還有很長(zhǎng)的一段路要走，在未來(lái)的發(fā)展需要達(dá)到以下目標(biāo)：

（1）通過(guò)射頻功率能高效率的將能量耦合到螺旋波等離子體中，但對(duì)于其中的物理機(jī)制，現(xiàn)在還尚不明確。Shamrai提出TG模式吸收機(jī)理，TG模式吸收機(jī)理認(rèn)為螺旋波的等離子體源中有兩種波，即螺旋波和 TG波。螺旋波位于等離子體內(nèi)部與表面的TG波耦合，TG波屬準(zhǔn)靜電波在等離子體表面吸收能量[22]。弱螺旋波阻尼和強(qiáng)TG波阻尼致使螺旋波放電產(chǎn)生等離子體的高電離效率，這是目前人們普遍接受的機(jī)制。

（2）螺旋波等離子體源基本現(xiàn)象的深入研究，如低磁場(chǎng)峰現(xiàn)象，在磁場(chǎng)60Gs左右時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)等離子體密度峰值，因?yàn)槁菪◤哪┒诉吔绶瓷洌▽?dǎo)體和絕緣體的相位相反），從而增加電離和密度。低場(chǎng)峰的物理機(jī)制既然對(duì)了解等離子體特性有所幫助，也能促進(jìn)螺旋波等離子體源的發(fā)展和設(shè)計(jì)。

（3）應(yīng)用，在工業(yè)應(yīng)用方面，除了現(xiàn)有的等離子體蝕刻、沉積、電推力器和材料表面處理工藝外，還可以在環(huán)境和醫(yī)療領(lǐng)域進(jìn)行研發(fā)。希望在不久的將來(lái)能發(fā)揮重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙化僑編著. 等離子體化學(xué)與工藝[M]. 合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1993.02.

[2]邁克爾·A.力伯曼（Michael A.Lieberman）著;蒲以康譯. 等離子體放電與材料工藝原理 第2版[M].北京：電子工業(yè)出版社，2018.01.

[3]N. Sharma，M. Chakraborty，N.K. Neog，M. Bandyopadhyay. Design of a helicon plasma source for ion–ion plasma production[J]. Fusion Engineering and Design，2017，117.

[4]杜丹，李帥，陽(yáng)璞瓊，馮軍，向東，龔學(xué)余. 螺旋天線軸向長(zhǎng)度對(duì)螺旋波傳播、吸收的影響[J]. 計(jì)算物理：1-12.

[5]平蘭蘭，張新軍，楊樺，徐國(guó)盛，萇磊，吳東升，呂虹，鄭長(zhǎng)勇，彭金花，金海紅，何超，甘桂華.螺旋波等離子體原型實(shí)驗(yàn)裝置中天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)與功率沉積[J].物理學(xué)報(bào)，2019，68（20）：229-239.

[6]Guittienne P，Chevalier E，Hollenstein C . Towards an optimal antenna for helicon waves excitation[J]. Journal of Applied Physics，2005，98（8）：1147.

[7]房同珍.螺旋波激發(fā)等離子體源的原理和應(yīng)用[J].物理，1999（03）：38-43.

[8]L.Porte，S.M.Yun，D.Amush，F(xiàn).F.Chen，Plasma Sources Sci.Technol.，2003，12：287.

[9]于威，朱海豐，王保柱，韓理，傅廣生.螺旋波等離子體沉積納米硅薄膜結(jié)構(gòu)特性[J].功能材料與器件學(xué)報(bào)，2004（02）：177-181.

[10]Guangsheng，F(xiàn)u，and，et al. Epitaxial growth of ZnO films by helicon-wave-plasma-assisted sputtering[J]. Physica B Condensed Matter，2006.

[11]Sarra-Bournet C，Charles C，Boswell R .Characterization of nanocrystalline N-doped titanium oxide obtained by N2/O2/Ar low-field helicon plasma sputtering[J]. Journal of Physics D Applied Physics，2011，44（45）：455202.

[12]於俊，黃天源，季佩宇，金成剛，諸葛蘭劍，吳雪梅.螺旋波等離子體合成SiON薄膜及其特性[J].科學(xué)通報(bào)，2017，62（19）：2125-2131.

[13]錢嘉偉. 磁場(chǎng)對(duì)螺旋波等離子體合成碳納米（DLC）材料影響的實(shí)驗(yàn)研究[D].蘇州大學(xué)，2020.

[14]Peiyu Ji，Jiali Chen，Tianyuan Huang，Chenggang Jin，Lanjian Zhuge，Xuemei Wu. Fast preparation of vertical graphene nanosheets by helicon wave plasma chemical vapor deposition and its electrochemical performance[J]. Diamond & Related Materials，2020，108.

[15]Francis F Chen. Helicon discharges and sources：a review This article was originally part of the special ‘Interaction of electromagnetic waves with low-temperature plasmas，published in PSST，vol 23，issue 6 .[J]. Plasma Sources Science and Technology，2015，24（1）.

[16]Kitagawa H，Tsunoda A，Shindo H，et al. Etching characteristics in helicon wave plasma[J]. Plasma Sources ence and Technology，1993，2（1）：11.

[17]Kim J H，Kang C J，Ahn T H，et al. Characteristics of self bias voltage and poly-Si etching in pulsed helicon wave plasma[J]. Thin Solid Films，1999，345（1）：124-129.

[18]Chabert P，Proust N，Perrin J，et al. High rate etching of 4H-SiC using a SF6/O2 helicon plasma[J]. Applied Physics Letters，2000，76（16）：2310-2312.

[19]Hyoun，Woo，Kim，et al. Study of Ru etching using O2/Cl2 helicon plasmas[J]. Materials Science and Engineering：B，2002.

[20]Kim H . Characteristics of Ru etching using ICP and helicon O2/Cl2 plasmas[J]. Thin Solid Films，2005，475（1-2）：32-35.

[21]Sporre J，Elg D，Andruczyk D，et al. In-situ Sn contamination removal by hydrogen plasma[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering，2012：82.

[22]趙高. 螺旋波等離子體源實(shí)驗(yàn)及特性研究[D].北京印刷學(xué)院，2015.

（作者單位：成都大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）