電源接入方式對雙頻容性耦合等離子體性質的影響

李欣昱，吳集盾，黃曉江

(東華大學 理學院，上海 201620)

雙頻容性耦合等離子體(dual-frequency capacitively coupled plasma，DF-CCP)的裝置簡單，且能夠對離子通量和能量分別進行獨立控制，因此被廣泛應用于介質刻蝕生產線。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、兩個電源的接入方式等都是其研究的重點。其中關于兩個電源接入方式如單極雙頻(兩個射頻電源接在一個電極上)和雙極雙頻(兩個射頻電源接在兩個電極上)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容性耦合等離子體(CCP)進行模擬研究，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CCP的影響，結果表明：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，雙極雙頻放電時高頻電極附近區(qū)域的電子密度較高；雙極雙頻放電時的電子密度高于單極雙頻放電時的電子密度。

試驗研究基本上是測量等離子體中心區(qū)域的電子溫度和密度。袁強華等[6]使用13.56和94.92 MHz電源進行雙極雙頻的氬等離子體放電研究，測量了中心區(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診斷研究中，單極雙頻放電下利用發(fā)射光譜內標法測得等離子體密度隨高頻電源頻率及氣壓變化的曲線圖。

在試驗研究中，由于裝置等因素的限制，電極間距難以改變并且調節(jié)范圍較小，針對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)，電子密度呈雙峰結構，在兩側鞘層的電離率最高，并且隨著電極間距增大，電離率下降。You等[9]采用試驗方法研究13.56 MHz電源放電時電極間距效應引起的等離子體能量分布的變化，結果發(fā)現(xiàn)，電極間距較小時，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研究。

本文采用試驗方法，利用發(fā)射光譜結合碰撞輻射模型獲得了雙頻(27.12和2.00 MHz)電源放電時氬CCP中電子溫度和密度的軸向分布，并對比研究了單極雙頻和雙極雙頻兩種電源接入方式時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 試驗裝置

試驗系統(tǒng)主要包括直徑為60 mm石英真空腔體、兩個直徑為50 mm的不銹鋼平板電極、射頻電源以及進氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)。采用兩種不同電源接入方式時放電裝置的真空腔體、兩個電極和射頻電源的示意圖如圖1所示，其中右側為固定電極，左側電極可通過在放電前未抽真空的環(huán)境下在0～100 mm內自由拉伸來調節(jié)電極間距。電源使用頻率為27.12和2.00 MHz的RSG500型射頻電源進行雙頻組合放電，根據(jù)試驗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，單極雙頻時兩個不同頻率的電源通過混頻器一同接入右側的電極，左側電極接地，其中混頻器可以減少高、低頻電源之間的串擾。由圖1(b)可知，雙極雙頻時高頻電源接入右側的電極，低頻電源接入左側電極，為了進行對比，同樣在右側接入了混頻器。側面軸向中心位置有可以移動定位的光纖接口，接入AvaSpec-2048TEC型發(fā)射光譜儀的光纖來采集發(fā)射光譜試驗數(shù)據(jù)。光譜儀分辨率為0.12 nm，測量范圍為200～950 nm。本試驗中，采用純氬氣體(>99.995%)放電，流量為20 mL/min，機械泵抽氣使氣壓穩(wěn)定在20 Pa。光譜儀在軸向兩個電極間每間隔0.5 mm采集光譜，然后選取氬的波長分別為696.5和750.4 nm的兩個峰，得到這兩個波長譜線強度的軸向分布。再利用氬的碰撞輻射模型(CR Model)[10],通過計算獲得氬等離子體的電子溫度和電子密度的軸向分布。

2 結果與討論

2.1 高、低頻電源功率對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，以單極雙頻的電源接入方式進行氬等離子體放電，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，在20～60 W內改變低頻2 .00 MHz電源的功率，對應的電子密度的變化范圍較??；而保持低頻2.00 MHz電源的功率為40 W時，在20～60 W內改變高頻27.12 MHz電源的功率，對應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，高頻電源的功率對電子密度的影響比低頻電源功率大，這是因為高頻電源功率的增加會使鞘層變薄和電子密度增大。由圖2(b)可知，高頻電源功率對電子溫度的影響也要比低頻電源功率大。這是因為電子密度增加的同時，電子碰撞加劇，電子溫度下降。

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

在同等條件下，當雙極雙頻電源接入方式時，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，高頻電源功率對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電子密度和電子溫度軸向分布進行比較，如圖4所示。

圖4 不同電源接入方式放電時的電子密度和電子溫度的軸向分布對比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。這是因為使用雙極雙頻電源接入方式時，右側電極接入27.12 MHz頻率的電源，左側電極接入了2.00 MHz頻率的電源，周圍器壁是石英玻璃介質，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，右側電極同時接入兩個射頻電源，左側電極接地，在接地電極上會存在電子的損失。由圖4(b)可知，由于使用雙極雙頻電源接入方式放電時的電子密度較高，電子碰撞加劇，在一定功率下電子溫度會較低，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，電子密度更大，而電子溫度則更低。

2.3 電極間距對軸向電子密度和電子溫度的影響

當氣壓為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，以單極雙頻電源接入方式放電時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)。這是因為鞘層邊緣部分的電場更強，對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，兩個極板間的電場較強，有利于電子的加熱，而電極間距增大后電場也會隨之變弱，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的結果一致，即電極間距減小會引起電子溫度升高。在等離子體放電過程中，由于冉紹爾-湯森德效應[11]，低能電子的彈性碰撞截面很小，在通過等離子體時能夠不發(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，由于各種碰撞過程變成各向同性的電子，無法發(fā)生共振加熱。因此，在電極間距較小時，低能電子的平均溫度相對較高。

由圖5(b)可知，等離子體的電子密度在兩側鞘層部分較低，中間的等離子體主體區(qū)域較高，且趨于平穩(wěn)。這是因為鞘層兩側的電子溫度較高，在一定功率下，電子密度就會相對較低，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)域的密度就會略微下降，在左側接地電極即圖5(b)中右側有一個明顯的下降趨勢，這是由于接地電極一側的電子損失會較多。

當氣壓為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，以雙極雙頻電源接入方式進行氬等離子體放電時，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與單極雙頻電源接入方式時大致相同：電子溫度在兩側鞘層部分較高，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)域的電子密度就會有所下降。這是因為使用雙極雙頻電源接入方式放電時，兩個電極都接入了射頻電源，周圍器壁是石英玻璃介質，電子在器壁上的損失較單極雙頻時少，而使用單極雙頻電源接入方式時，一個電極同時接入了兩個射頻電源，另一個電極接地，在接地電極上電子損失會更多，相對而言電子密度就較低。

3 結 語

本文采用27.12和2.00 MHz雙頻電源組合放電試驗，對比了單極雙頻和雙極雙頻兩種不同電源接入方式對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，雙極雙頻時的電子密度比單極雙頻時的高，電子溫度則較低。這是因為雙極雙頻時兩個電極都接了射頻電源，周圍器壁是石英玻璃介質，電子在器壁上的損失較單極雙頻時少，而單極雙頻時一個電極通過混頻器同時接入了兩個射頻電源，另一個接地，在接地電極上電子損失會更大一些。從電子密度的軸向分布來看，雙極雙頻時的中間等離子體主體區(qū)域的電子密度更加平穩(wěn)和對稱，而單極雙頻時靠接地電極一側電子密度有一些下降，這也與在接地電極附近電子相對損失較多以及高、低頻電源在混頻器上干擾等因素有關。因此，雙極雙頻電源放電時電子溫度和電子密度在電極間的分布更加對稱和平穩(wěn)，說明雙極雙頻接法對電子約束更好，使得高頻電源和低頻電源饋入等離子體的效率更高。