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1、------------------------------------------------------------------------------------------------大面积表面波等离子体的特性研究_刘明海刘明海1) 菅井秀郎2) 胡希伟1) 石岛芳夫2) 江中和1) 李 斌1) 但 敏1)1)(华中科技大学电气与电子工程学院,武汉 430074)2)(名古屋大学工学部电气研究科,名古屋 4648603)(2005年9月12日收到;2005年12月18日收到修改稿) 介绍
2、一种矩形反应腔体结构的表面波等离子体源,通过对垫层介质及天线结构的优化设计,产生了大面积均匀的等离子体.采用静电探针测量了等离子体参数(密度,电子温度)在不同运行条件(气压,功——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------率)下的空间分布;采用扩散模型,数值模拟了等离子体密度在垂
3、直方向上的空间分布,并比较好地解释了实验测量结果.关键词:表面波等离子体,狭缝天线,数值模拟,探针测量PACC:5250,5240F,5275R天线的阵列结构及垫层介质,来探寻产生大面积均1.引言匀的高密度等离子体的技术手段和实施途径.随着半导体晶片超微细加工、液晶显示器、太阳能电池、生物医学高分子薄膜及高聚物的表面改性等领域的迅速发展,近年来迫切需要发展大面积均匀,低气压高密度,大口径(尺度达100cm)的新型等离子体源.与其他类型的等离子体源相比,表面波等离子体具有许多无可比拟的优点:无需EC
4、R等离子体或螺旋波等离子体那样的磁场,结构简单;不存在平板型等离子体那样因电极插入而导致的杂质污染问题;便于产生截止密度以上的高密度等离子体;用小尺度的开口天线,就可以通过表面的传播实现等离子体的大口径化,已经成为下一代超大规模集成电路器件加工的强有力竞争者.正因如此,法国,德国,日本等在上世纪90年代末期相继开展了这方面的研究工作[1,2]2.大面积表面波等离子体的产生 在表面波等离子体中,微波是通过狭缝天线耦合进入真空室内的,在狭缝的正下方首先击穿气体放电,形成高密度等离子体.当微波功率高时
5、,电磁波传输到临界密度层要被反射回来,沿介质板和等离——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------子体界面往四周传播,其能量被约束在界面附近的区域内,并随传播距离指数衰减.如果入射功率足够大,电磁波沿界面传输到真空室壁处的强度还足够强,即可产生大面积均匀的高密度等离子体.到目前为
6、止,反应器尺度达1m的等离子体装置是电容耦合型(CCP),由于产生的等离子体密度不够高,因此其产额也就低.在表面波等离子体装置中,微波(2.45GHz)通过波导(宽度为106mm)内的狭缝天线耦合进入反应腔室,其尺度为100cm×30cm×30cm,目前只在一维方向的尺度达到1m,今后希望能够在两维方向均达到1米的尺度.在贴近天线的腔室表面设有一层垫层介质,减少了电磁波在天线与等离子体之间的界面反射,对均匀等离子体的产生起着至关重要的作用.由于尺度达到了1m,如何在这么大的范围内产生均匀的等离子体
7、,其关键就在于天线阵列结构的优化设计,以便保证微波在天线内尽可能等功率地耦合进入等离子体.本文根据天线设计原理进行了很多尝试,典型的天线阵列结构示意.本世纪初,中国科大、中科院等离子[3—5]体所及复旦大学也做出了很好的工作体结构[6,7].目前国内所报道的腔体结构都是圆柱体,本文采用矩形腔,狭缝天线可以沿反应室的纵向排成阵列结构,这样天线的数量和结构布局均有很大的选择余地;通过对狭缝天线的优化设计,——————————————————————————————————————-----------
8、-------------------------------------------------------------------------------------便可产生大面积均匀的高密度等离子体.考虑到工业实际应用,采用长方体结构可以满足不同领域的需要,因为不但长度可以改变,而且宽度也可以加宽.对于大口径的工业应用,只要微波传输功率足够高,用功分器分成几路,将长方体宽边对接便可实现大体积(尺度达1m)5906物 理 学 报55卷图2 等离子体密度随压强的变化图1 天
