射頻感性耦合等離子體源的研發(fā)

吳祖光，馬自達(dá)，烏云額爾德尼，郭方準(zhǔn)，臧 侃

（大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，大連 116028）

近年來(lái)，等離子體技術(shù)在新材料、新能源和全面革新微電子器件工藝方面開辟了許多新的研究方向[1]。我國(guó)在光譜分析和氮化物薄膜生長(zhǎng)方面對(duì)等離子體源的需求不斷增大，但是用于等離子體輔助分子束外延的RF-ICP完全依賴進(jìn)口。為滿足我國(guó)的科研需要，自主研發(fā)RF-ICP迫在眉睫。

本文所介紹的RF-ICP具有可靠性高、操作簡(jiǎn)便和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，其金屬電極安放在放電室外，防止了濺射污染，無(wú)電極損耗，保證了所產(chǎn)生等離子體的均勻性和純凈度。感性耦合放電避免了在放電過(guò)程中離子能量和通量不能完全獨(dú)立變化的限制，所以RF-ICP在等離子體工藝處理與等離子體光源等方面應(yīng)用更為廣泛。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，證明RF-ICP可在高電子密度（＞1017m-3）和低壓（＜10pa）下工作，適合氮化物成膜（GaInAlN等）或氮化物稀釋（GaInAsN、II-VI族元素?fù)诫s）等，該設(shè)備已被多家科研機(jī)構(gòu)采用。

1 RF-ICP仿真計(jì)算

RF-ICP的物理反應(yīng)現(xiàn)象相當(dāng)復(fù)雜，為簡(jiǎn)化化學(xué)機(jī)理選擇壓力為2.66Pa，初始溫度為300K的氬氣作為反應(yīng)氣體。圖1為三維放電室模型經(jīng)切片顯示的仿真結(jié)果。圖1a為電子密度，圖2b為電子溫度，電子密度最高可達(dá)9.35×1018m-3，滿足設(shè)計(jì)需要。從圖上可以明顯地看出放電室邊緣的電子密度較低，約1.65×1017m-3。這是由于在高密度等離子體狀態(tài)下，電場(chǎng)和磁場(chǎng)均在趨膚層內(nèi)衰減，能量在趨膚層中釋放并向其它區(qū)域傳遞[2]。電子溫度最高為0.23eV，約為2669.15K（2396℃）。雖然等離子體的畢渥準(zhǔn)則Bi＜＜1，但相比熱金屬，其邊緣溫度梯度還是比較低[3]。盡管電子在往復(fù)回旋運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生碰撞，但電子向放電室器壁擴(kuò)散的數(shù)量很少。在箍縮效應(yīng)的影響下[4]，等離子體整體產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，脫離開容器壁。放電室部分通常選用熱解氮化硼（PBN）或石英材質(zhì)。在高電子密度情況下，感性放電過(guò)程相當(dāng)于一個(gè)變壓器模型，等離子體相當(dāng)于變壓器的次級(jí)線圈感受能量，為了維持良好的等離子體密度，需要較高的線圈電流，但這會(huì)導(dǎo)致功率的損失增大。為了獲得最大的功率轉(zhuǎn)換效率線圈的設(shè)計(jì)要合理，放電室的厚度要足夠薄。盡管放電室內(nèi)的電場(chǎng)幾乎與管的半徑無(wú)關(guān)，綜合考慮箍縮效應(yīng)與線圈能量耦合的需要，放電室體積不宜過(guò)大或過(guò)小。

2 RF-ICP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

RF-ICP的構(gòu)造如圖3所示，主要由真空放電室、電感線圈、導(dǎo)波片、支撐塊、氣體導(dǎo)入組件、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、屏蔽罩等構(gòu)成。等離子體源的電感線圈通過(guò)導(dǎo)波片和電極端子連接，將射頻電源發(fā)出的能量導(dǎo)入到反應(yīng)器中。電感線圈采用直徑為3mm電導(dǎo)率較高的鍍銀銅線管，雙排纏繞于真空放電室外側(cè)。線圈的匝數(shù)約為3.5圈，射頻長(zhǎng)度為50mm，大半徑為25mm，直線端穿過(guò)兩支撐塊焊接在法蘭上。對(duì)于某個(gè)特定的射頻頻率，電感線圈的電感量窗口范圍很小，為降低反射功率，銅線圈表面要做鍍銀處理。而銀鍍層在高溫下易氧化，所以需要水冷裝置，冷卻水通過(guò)進(jìn)、出水管接頭在電感線圈內(nèi)部循環(huán)。

圖1 2.66Pa條件下的仿真結(jié)果

整套射頻等離子體源的用材符合超高真空環(huán)境的使用要求，其中的電氣絕緣部分采用三氧化二鋁，其它大部分采用SUS304不銹鋼，接口法蘭為CF63型號(hào)。真空放電室外形為圓筒形，外徑為24.6mm，壁厚為1mm，長(zhǎng)度為80mm，前端面上均勻地開有直徑為0.1mm的通孔若干。由于真空放電室內(nèi)部需要從真空外界持續(xù)地導(dǎo)入反應(yīng)源氣體，而整個(gè)真空放電室又置于真空環(huán)境之中，這就使得真空放電室的內(nèi)、外部存在一定的壓強(qiáng)差。無(wú)需額外設(shè)計(jì)等離子體引出系統(tǒng)，產(chǎn)生的等離子體即可均勻地向外噴射[5]。氣體導(dǎo)入組件包括法蘭細(xì)管、微調(diào)閥、三通、導(dǎo)氣管和密封組件等。反應(yīng)源氣體導(dǎo)入到真空放電室內(nèi)可通過(guò)氣體導(dǎo)入微調(diào)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，氣體流量也可以可通過(guò)外加氣體質(zhì)量流量計(jì)來(lái)控制。真空放電室與導(dǎo)氣管通過(guò)兩個(gè)支撐塊保持同軸關(guān)系，支撐塊采用無(wú)氧銅材料。電感線圈螺旋端通過(guò)導(dǎo)波片與電極端子相連接，導(dǎo)波片的外面套有絕緣管，防止與周圍其他零件產(chǎn)生放電現(xiàn)象。射頻放電區(qū)域會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，因此需將整個(gè)放電部分罩在表面鍍鋁的屏蔽罩內(nèi)部。除此之外，在等離子體源連接真空腔室的外側(cè)設(shè)有備用法蘭和觀察窗，便于實(shí)驗(yàn)室備用裝置的使用和觀察反應(yīng)源氣體放電現(xiàn)象。

3 測(cè)試與討論

通入氬氣對(duì)該離子源的性能進(jìn)行初步測(cè)試。在放電室內(nèi)氣壓為2.33×101Pa，射頻功率加載到103.3W，反射功率為0.1W，駐波比為1.103，Π型射頻電源匹配網(wǎng)絡(luò)Cm1調(diào)到307，Cm2調(diào)到850時(shí)，可以直接通過(guò)觀察窗觀察到氬氣的放電現(xiàn)象。隨著功率的提高，放電室內(nèi)光亮大幅增強(qiáng)，并且當(dāng)氣體流量小時(shí)，需要加載更大的輸入功率才能使氣體放電。通過(guò)觀察可以判斷，等離子體首先在電磁場(chǎng)最大的中心區(qū)域產(chǎn)生，隨后迅速擴(kuò)散到整個(gè)真空放電室，針對(duì)不同射頻功率和氣體流量下射頻等離子體源的啟輝情況進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)見表1，由測(cè)試數(shù)據(jù)可見，射頻功率和氣體流量是影響氣體放電的重要因素，氣體流量越小需要加載的功率越大。在整個(gè)放電過(guò)程中，RF-ICP在放電過(guò)程中會(huì)發(fā)生E-H耦合模式的轉(zhuǎn)變。電子密度首先隨著線圈中電流的提升而升高，在進(jìn)入H模式初期電子密度的增長(zhǎng)速率最大。從轉(zhuǎn)換效率的角度來(lái)看：在E-H轉(zhuǎn)換區(qū)域功率轉(zhuǎn)換效率最小，不同的氣體流率，放電氣壓和氣體組成都會(huì)對(duì)電子密度產(chǎn)生影響，最終影響E-H轉(zhuǎn)換效率[6]。

圖2 等離子體源結(jié)構(gòu)

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)