圓筒電極對離子磁電加熱的影響*

馬志斌 沈武林 吳俊 嚴壘 汪建華

(武漢工程大學材料科學與工程學院，湖北省等離子體化學與新材料重點實驗室，武漢 430073)

(2012年4月23日收到;2012年7月31日收到修改稿)

1 引言

利用磁鏡場電子回旋共振(ECR)等離子體源中的離子在強磁場區域的回旋運動來實現化學氣相沉積金剛石膜的拋光，相對于現有的離子束拋光技術，該方法具有拋光面積大、處理均勻等優點[1-3].在普通的ECR等離子體裝置中，離子溫度較低，在通過縱向加速電極進入強磁場區時，其回旋特征很弱，很難實現對金剛石膜的選擇性刻蝕.通過磁電加熱能夠提高ECR等離子體中的離子能量.在利用梯度磁場對等離子體中的離子進行運動方向的調節時，較高的離子能量有利于將更多平行于磁場方向的能量轉移到垂直于磁場方向去，從而得到具有較強回旋特性的離子束.

磁電加熱是帶電粒子在交叉的磁電場中通過E×B漂移獲得能量的一種加熱方式[4-6].該加熱方式用于ECR等離子體中，一方面可以有效提高離子能量，另一方面可以對等離子體起到約束作用.在前期的研究中[7]，將圓環電極作為加熱電極，討論了圓環電極偏壓、磁場強度、氣壓等因素對磁電加熱過程以及加熱效率的影響.由于環電極加上陽極偏壓后所產生的徑向電場對等離子體的約束有限，部分離子在向軸向下游的輸運過程中，很容易碰撞腔壁而損失，這對于微波ECR等離子體的應用是不利的.在本實驗中，將圓環電極改進為圓筒電極，對比了圓筒加熱和圓環加熱的區別，分析了采用圓筒電極加熱等離子體時所具有的優點.

2 實驗裝置

實驗研究在自行研制的微波ECR等離子體裝置上完成，其結構如圖1所示.圖中頻率為2.45 GHz的微波由矩形波導傳輸，經天線耦合到圓波導，并通過石英窗口饋入到真空室內.磁場系統由四組沿軸向可調的線圈和三臺直流電源組成，真空室內的磁場強度由高斯計(LakeShore 410)測量.圖2為本實驗中所采用的磁鏡場位形，其中石英窗口位于Z=0處.真空室的內徑為10 cm.在真空室的側壁上設置了多個可以用于安放探針或環電極的窗口，在本實驗中，用于固定圓筒電極的窗口的軸向位置分別位于15.3 cm和18 cm，圓筒末端位于Z=20 cm附近，探針位于Z=21 cm.在實驗過程中，使用的圓筒內徑為8 cm，外徑為8.3 cm，長度為12 cm.利用圓環電極加熱時，軸向位置為Z=19.8 cm，其內徑為8 cm，外徑為8.2 cm，寬度為0.3 cm.真空系統由機械泵和400 L/S的渦輪分子泵組成.在實驗中所使用的工作氣體為氧氣，經過質量流量控制器和進氣孔導入真空室.

圖1 ECR等離子體裝置示意圖

加熱系統由加熱電極和直流電源組成，圖3為加熱系統與等離子體參數測量系統示意圖.圖中直流電源為加熱電極提供陽極偏壓，最大輸出電壓為1000 V，最大輸出功率為1000 W;型號為PAMM2/100G的靜電探針自動測量系統為探針測量提供掃描電壓，該系統由程控電源、電阻器、A/D轉換器、數據放大器和存儲器組成，電源掃描電壓的范圍為-100—100 V.

圖2 磁場位形

在實驗中，采用離子靈敏探針(ISP)測量ECR等離子體的離子溫度和密度[8-10].ISP由兩個同軸電極組成，外電極是屏蔽極，內電極是離子收集極.本實驗中所使用的ISP收集極為φ0.8 mm的鎢絲，屏蔽電極為內徑為1.5 mm的中空不銹鋼管，屏蔽高度h可根據等離子體參數的變化自由調節.該探針沿腔體徑向的深度可以調節，最大調節范圍為4 cm.

3 結果分析與討論

3.1 電極結構對離子加熱的影響

在微波功率為800 W，氣壓為0.02 Pa，氧氣流量為2.8 sccm(1 sccm=1 mL/min)的條件下，將ISP設置在Z=21 cm的軸心處測量了離子溫度，研究了圓筒和圓環電極加熱時離子溫度隨陽極偏壓的變化，結果如圖4所示.從圖中可以看到，采用圓筒或圓環電極加熱時離子溫度均隨陽極偏壓的增大而增大.不同的是，當陽極偏壓從0 V增加到100 V時，采用圓筒加熱時的離子溫度從3.01 eV增加到9.52 eV，而采用圓環電極加熱時，離子溫度從2.71 eV增加到5.82 eV，即采用圓筒電極加熱時，離子溫度隨陽極偏壓的變化幅度更大.以上結果表明，在同一陽極偏壓下，采用圓筒電極比采用圓環電極更有利于提高離子溫度.

圖3 加熱系統與離子探針測量系統示意圖

圖4 圓筒和環加熱時離子溫度隨陽極偏壓的變化

圖5 圓筒電極加熱模型

導致以上差別的原因在于圓筒電極具有更長的陽極鞘層區.根據磁電加熱的原理，離子是在陽極鞘層中通過E×B漂移獲得能量.陽極鞘層位于加熱電極與等離子體之間，其厚度由離子德拜長度決定，其長度則與加熱電極的尺寸有關.圓筒電極加熱的模型如圖5所示，圖中離子在磁鏡場中沿磁力線回旋運動到陽極鞘層中被交叉的電磁場加熱.將圓筒作為加熱電極，大大提高了陽極鞘層區的長度，這一方面延長了離子在陽極鞘層中的加熱時間，另一方面也可以使更多的離子在向下游的輸運過程中運動到陽極鞘層中被加熱.因此在同一陽極偏壓下，圓筒電極加熱時的離子溫度更高.

圖6 加熱電源的VH-IH圖

另外，圓筒電極也有利于磁電加熱功率耦合到等離子體中，更有利于整體提高等離子體中離子的溫度.在實驗中對比了圓筒和圓環電極加熱時，加熱電流與電壓的關系，結果如圖6所示.從圖中可知，在同一陽極偏壓下，圓筒電極的加熱電流明顯大于圓環電極的加熱電流.這表明采用圓筒電極加熱時，其加熱功率更有利于耦合到等離子體中，即單位時間內輸入等離子體中的能量較大，從而使離子溫度較大.

3.2 圓筒電極對離子溫度徑向分布的影響

在相同的實驗條件下，研究了圓筒電極對離子溫度徑向分布的影響，結果如圖7所示.圖7中ISP測量的軸向位置分別為Z=17 cm和Z=21 cm，其中Z=17 cm位于圓筒中部，Z=21 cm位于圓筒下游.從圖中可知，加熱前(VH=0 V)，兩個軸向位置的離子溫度相差不大，且徑向分布都比較均勻.加熱后(VH=100 V)，圓筒中部(Z=17 cm)各徑向位置的離子溫度上升幅度較大，R=0 cm處的離子溫度從3.3 eV上升到9.85 eV，R=4 cm處的離子溫度從3.25 eV上升到19.68 eV，其中靠近圓筒電極附近的離子溫度其增加幅度比較明顯.同時，圓筒下游(Z=21 cm)各徑向位置的離子溫度在加熱后也得到提高，且離子溫度的徑向分布比較均勻.以上結果表明，圓筒電極對腔體內離子溫度的徑向分布具有較大的影響，其中圓筒電極中部的離子溫度徑向差異較大，靠近加熱電極附近的離子溫度幾乎是軸心處的兩倍，而圓筒電極下游的離子溫度徑向分布則比較均勻.

圖7 圓筒電極加熱時離子溫度的徑向分布

圓筒電極對離子溫度徑向分布的影響主要與離子的加熱過程有關.根據前期的研究結果[7]，離子的整體加熱是通過離子在陽極鞘層中的磁電加熱及被加熱的離子沿徑向的輸運來完成的.陽極鞘層主要存在于加熱電極附近，因此，在圓筒電極內，靠近電極附近的離子溫度較大.而在圓筒電極下游離子溫度的提高主要是離子在上游的陽極鞘層中得到加熱后輸運到下游的結果.在向軸向下游輸運過程中離子之間的碰撞，逐漸使徑向溫度差減小，從而使離子溫度的徑向分布比較均勻.

在相同的實驗條件下，將圓環電極置于Z=19.8 cm，ISP置于Z=21 cm，對比了圓筒和圓環電極加熱后離子溫度的徑向分布，結果如圖8所示.從圖中可知，采用圓筒電極加熱時各徑向位置的離子溫度相對于圓環電極加熱時增加的幅度更大，且離子溫度的徑向分布也更均勻.相同偏壓下，圓筒與圓環電極對離子溫度徑向分布的影響不同，是因為圓筒電極加上陽極偏壓后產生的鞘層區域較長，鞘層中徑向向里的電場在加熱離子的同時，還能對離子起到約束作用，減少部分低溫離子因碰撞腔壁而造成的損失.在磁鏡場條件下，低溫離子容易受磁鏡的作用在磁鏡場中做往返回旋運動.這些離子在往返回旋運動的過程中，均可以在陽極鞘層中得到加熱，從而使各徑向位置的離子溫度提高.而圓環電極加熱時，其陽極鞘層區域很小，只能對局部的離子加熱，導致圓環電極加熱后各徑向位置的離子溫度偏低.

圖8 加熱后離子溫度的徑向分布

3.3 圓筒電極對離子密度徑向分布的影響

圖9為分別采用圓筒和圓環電極加熱后，Z=21 cm處離子密度的徑向分布.首先，從各徑向位置離子密度的變化趨勢來看，當圓筒上加上100 V的陽極偏壓后，各徑向位置的離子密度均有所提高，其中R=0 cm處的離子密度從19.13×1016m-3增大到20.11×1016m-3，R=4 cm處的離子密度從4.36×1016m-3增大到6.24×1016m-3.當圓環上加上100 V的陽極偏壓后，R=0 cm處的離子密度從15.16×1016m-3增大到15.54×1016m-3，R=4 cm處的離子密度從2.64×1016m-3增大到3.21×1016m-3.以上結果表明，圓筒電極加熱時離子密度增大的幅度略大于圓環電極加熱.然而從加熱后離子密度的整體變化趨勢來看，其相對于離子溫度變化并不十分明顯.這是因為磁電加熱過程中，離子在交叉場中獲得的漂移速度與帶電粒子的質量無關.由于電子的質量遠小于離子質量，在獲得相同漂移速度的情況下，電子獲得的能量也遠小于離子獲得的能量.由于等離子體主要靠電子與中性粒子的碰撞離化產生，而電子溫度在磁電加熱過程中的變化相對較小，所以離子密度在磁電加熱后變化幅度不大.

圖9 圓筒電極后離子密度的徑向分布

同時，從圖9中還可知，當陽極偏壓為100 V時，采用圓筒電極加熱時的各徑向位置的離子密度大于采用圓環加熱時的離子密度.這主要是因為在ECR等離子體腔室內加入圓筒電極后，圓筒上會聚集大量的電子，并形成等離子體鞘層，該鞘層產生的徑向電場對等離子體具有約束作用，使等離子體更為集中，離子在向軸向下游的輸運過程中因碰撞腔壁損失的離子減少，導致圓筒電極下游的離子密度提高.因此采用圓筒電極加熱時，有利于離子向軸向下游的輸運.

4 結論

本文通過對比圓筒和圓環電極對離子溫度和密度的影響，分析了采用圓筒電極加熱離子所具有的優勢.結果表明：在同一陽極偏壓下，圓筒比圓環電極更有利于提高離子溫度;圓筒電極加熱時各徑向位置的離子溫度升高的幅度較大，且圓筒內離子溫度的徑向分布不均勻，而圓筒下游的離子溫度徑向分布比較均勻;圓筒電極加熱時離子密度增大的幅度略大于圓環電極加熱，但離子密度在磁電加熱過程中整體的變化幅度很小;采用圓筒電極加熱時，有利于離子向軸向下游的輸運，改善了離子的軸向均勻性.

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