射頻感性耦合等離子體源的研發

吳祖光，馬自達，烏云額爾德尼，郭方準，臧 侃

（大連交通大學機械工程學院，大連 116028）

近年來，等離子體技術在新材料、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]。我國在光譜分析和氮化物薄膜生長方面對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完全依賴進口。為滿足我國的科研需要，自主研發RF-ICP迫在眉睫。

本文所介紹的RF-ICP具有可靠性高、操作簡便和壽命長等特點，其金屬電極安放在放電室外，防止了濺射污染，無電極損耗，保證了所產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程中離子能量和通量不能完全獨立變化的限制，所以RF-ICP在等離子體工藝處理與等離子體光源等方面應用更為廣泛。通過實際測試，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族元素摻雜）等，該設備已被多家科研機構采用。

1 RF-ICP仿真計算

RF-ICP的物理反應現象相當復雜，為簡化化學機理選擇壓力為2.66Pa，初始溫度為300K的氬氣作為反應氣體。圖1為三維放電室模型經切片顯示的仿真結果。圖1a為電子密度，圖2b為電子溫度，電子密度最高可達9.35×1018m-3，滿足設計需要。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下，電場和磁場均在趨膚層內衰減，能量在趨膚層中釋放并向其它區域傳遞[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]。盡管電子在往復回旋運動過程中會產生碰撞，但電子向放電室器壁擴散的數量很少。在箍縮效應的影響下[4]，等離子體整體產生收縮現象，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。在高電子密度情況下，感性放電過程相當于一個變壓器模型，等離子體相當于變壓器的次級線圈感受能量，為了維持良好的等離子體密度，需要較高的線圈電流，但這會導致功率的損失增大。為了獲得最大的功率轉換效率線圈的設計要合理，放電室的厚度要足夠薄。盡管放電室內的電場幾乎與管的半徑無關，綜合考慮箍縮效應與線圈能量耦合的需要，放電室體積不宜過大或過小。

2 RF-ICP結構設計

RF-ICP的構造如圖3所示，主要由真空放電室、電感線圈、導波片、支撐塊、氣體導入組件、冷卻水循環系統、屏蔽罩等構成。等離子體源的電感線圈通過導波片和電極端子連接，將射頻電源發出的能量導入到反應器中。電感線圈采用直徑為3mm電導率較高的鍍銀銅線管，雙排纏繞于真空放電室外側。線圈的匝數約為3.5圈，射頻長度為50mm，大半徑為25mm，直線端穿過兩支撐塊焊接在法蘭上。對于某個特定的射頻頻率，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，冷卻水通過進、出水管接頭在電感線圈內部循環。

圖1 2.66Pa條件下的仿真結果

整套射頻等離子體源的用材符合超高真空環境的使用要求，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。真空放電室外形為圓筒形，外徑為24.6mm，壁厚為1mm，長度為80mm，前端面上均勻地開有直徑為0.1mm的通孔若干。由于真空放電室內部需要從真空外界持續地導入反應源氣體，而整個真空放電室又置于真空環境之中，這就使得真空放電室的內、外部存在一定的壓強差。無需額外設計等離子體引出系統，產生的等離子體即可均勻地向外噴射[5]。氣體導入組件包括法蘭細管、微調閥、三通、導氣管和密封組件等。反應源氣體導入到真空放電室內可通過氣體導入微調閥進行調節，氣體流量也可以可通過外加氣體質量流量計來控制。真空放電室與導氣管通過兩個支撐塊保持同軸關系，支撐塊采用無氧銅材料。電感線圈螺旋端通過導波片與電極端子相連接，導波片的外面套有絕緣管，防止與周圍其他零件產生放電現象。射頻放電區域會產生電磁干擾，因此需將整個放電部分罩在表面鍍鋁的屏蔽罩內部。除此之外，在等離子體源連接真空腔室的外側設有備用法蘭和觀察窗，便于實驗室備用裝置的使用和觀察反應源氣體放電現象。

3 測試與討論

通入氬氣對該離子源的性能進行初步測試。在放電室內氣壓為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型射頻電源匹配網絡Cm1調到307，Cm2調到850時，可以直接通過觀察窗觀察到氬氣的放電現象。隨著功率的提高，放電室內光亮大幅增強，并且當氣體流量小時，需要加載更大的輸入功率才能使氣體放電。通過觀察可以判斷，等離子體首先在電磁場最大的中心區域產生，隨后迅速擴散到整個真空放電室，針對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行測試，數據見表1，由測試數據可見，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。在整個放電過程中，RF-ICP在放電過程中會發生E-H耦合模式的轉變。電子密度首先隨著線圈中電流的提升而升高，在進入H模式初期電子密度的增長速率最大。從轉換效率的角度來看：在E-H轉換區域功率轉換效率最小，不同的氣體流率，放電氣壓和氣體組成都會對電子密度產生影響，最終影響E-H轉換效率[6]。

圖2 等離子體源結構

表1 測試數據