螺旋波等離子體在材料中的應用

黃港

【摘 要】等離子體是物質存在的又一種基本形態，產生等離子體的方式也多種多樣。螺旋波等離子體源作為一種高密度源，該等離子體源中螺旋波由射頻天線激勵并沿軸向磁場方向在有限直徑的圓柱形等離子體柱中傳播，具有哨聲波和橫波模式結構，由于其電離效率高、磁場約束低、操作簡單等優點，在材料領域都有著非常廣闊的應用前景。本文主要介紹了螺旋波等離子體基本特征，包括色散關系以及天線特征。在材料應用方面，針對國內外螺旋波等離子體薄膜沉積和刻蝕技術的研究進行了基本綜述。

【關鍵詞】螺旋波;高密度等離子體;等離子體-材料相互作用;應用

1.前言

人們現在知曉的三種物質狀態（固、液、氣）在一定狀況下是可以相互轉換的，固體加熱到了一定溫度會變為液體，液體加熱到了一定溫度會變為氣體，如果對氣體采取某種加熱手段，使氣體分子離解和電離[1]，這時物質會變成帶正電的原子核和帶負電的電子組成的一團均勻的流體，它的正負電荷總量相等，因此它是近似電中性的，所以就叫等離子體。

現階段有許多產生等離子體的方式，螺旋波等離子體源因為其電離效率高、磁場約束低等優勢已經開始廣受人們關注。因此，這種優勢的高密度源有多種應用，如在材料領域中應用其進行薄膜沉積和刻蝕，在航空航天領域的等離子體推力器等。目前所有的螺旋波等離子體材料處理設備中，處理腔室都被設計在源區的下游。在螺旋波放電中，典型的等離子體電位值非常低，約15-20v，與電子回旋共振類似，但它所需的磁感應強度比電子回旋共振所需的875Gs低得多[2]。國內的研究人員們對螺旋波等離子體在許多不同的方向開展了研究，隨著螺旋波等離子體逐漸受到重視，在未來會有著非常大的應用和潛力價值。

2.螺旋波等離子體的基本特征

螺旋波是在有限直徑、軸向磁化的圓柱形等離子體中傳播的具有哨聲波模式的波，它由射頻驅動天線激發，并通過石英管發射到等離子體中，在那里螺旋波具有橫波模式，并沿著等離子體柱傳播，電磁波的能量則通過碰撞或無碰撞阻尼被電子吸收，促進等離子體的產生[2]。其頻率比電子回旋頻率大，比離子回旋頻率小。

2.1.螺旋波的色散關系

螺旋波模式是由與磁場B0成同一角度傳播的多個低頻哨聲波疊加而成的[2]，其色散關系式：

a為管徑，對于給定的n0、B0，色散關系就是一條直線，或者對于給定的ω、k，n/B 就是常數。例如，實驗上如果ω、B0固定，k就由天線長度確定[2]。Ef為電離截面峰值，氬氣為50ev，氫氣為80ev，氧氣為90ev[3]。

2.2.天線

天線是螺旋波等離子體源中不可或缺的一部分，利用天線的特殊結構可以向等離子體發射螺旋波。天線結構的改變會導致螺旋波相速度的變化，此變化又會對螺旋波等離子體的電場和磁場結構造成影響，最終影響功率沉積和能量耦合，所以對不同種類的天線進行研究是非常有意義的。現階段到目前為止，在國內杜丹等人[4]針對天線長度對波吸收和傳播的影響進行了模擬，結果表明了天線的軸向長度與總輻射能量和輻射電阻有一定關系。平蘭蘭等人[5]根據功率沉積和能量耦合對天線進行了優化設計，得出了最佳的結構與尺寸。Ph.Guittienne等人[6]研究了一種新型鳥籠型天線，相比與傳統天線有更好的效果。

2.2.1.Boswell型天線

Boswell型天線是螺旋波等離子體源中最為典型的天線之一，圖2-1為Boswell型天線，該天線能夠在橫向產生射頻磁場，該磁場通過耦合到波磁場的徑向分量來激勵螺旋波[7]。

2.2.2.名古屋型天線

Chen在對螺旋波等離子體了解后，產生了極大的興趣，在天線進行了大量的研究，感興趣的讀者可以參考Chen1992年的文章。名古屋型天線的方位角模數為1，如圖2-2所示，為全波長的名古屋型天線，實際實驗中我們通常使用這個天線的一半就足夠了。電流從中心流出，繞著等離子體到達頂部，這時等離子體會感應出與電流方向相反電場Em，在電場Em的作用下正負電荷發生分離，電子向天線末端移動，形成一個射頻電場Es，與此同時，底部附近產生了相反的電流和電荷。在軸向上，Em和Es方向相反并基本完全抵消，在徑向上，由于空間電荷的影響，也會產生一個垂直與B0的電場，方向與Em相同，在這兩個電場的疊加下，可以將能量耦合給螺旋波。

除上述兩種典型天線以外，左螺旋型天線以及右螺旋型天線也是比較常規的天線。在這幾種天線中，半波長的右螺旋型天線效率最高。研究表明天線長度為螺旋波波長一半、或一半波長的奇數倍時電源能量耦合效率最高，天線長度為螺旋波波長、或一半波長偶數倍時耦合效率最低[8]。

3.螺旋波等離子體在材料中應用

3.1.薄膜沉積

由于螺旋波等離子體高效率、高密度以及磁場約束大等特點，利用螺旋波等離子體進行薄膜沉積具有諸多優勢。現階段國內外對螺旋波等離子體薄膜沉積的研究也比較重視，開展了較多實驗。

于威等人[9]采用螺旋波等離子體化學氣相沉積技術，以SiH4作為源反應氣體在Si和玻璃襯底上制備了納米Si薄膜。結果表明，襯底溫度與納米薄膜的質量有關系，在較低的溫度下，顆粒大小保持在4-8mm之間，樣品的表面光滑，晶粒分布均勻，所獲得的納米Si薄膜質量高。隨著襯底溫度的提高，薄膜晶化度和晶粒尺寸的增加。G.S.Fu等人[10]研究了ZnO的薄膜生成，結果表明ZnO薄膜有著很好的c軸擇優取向，通過霍爾效應的測量的結果顯示，沉積薄膜的遷移率可達到5cm2/（v.s）[10]。C Sarra-Bournet等人[11]利用在Ar/O2/N2混合氣體，采用螺旋波等離子在以玻璃和硅片為基底上沉積了二氧化鈦薄膜。研究結果表明，在低溫條件下可以制備出結晶態二氧化鈦薄膜，同時利用氮可以控制所需的晶體結構。蘇州大學於俊等人[12]采用不同比例N2/Ar螺旋波等離子體對Si表面進行氮化處理合成SiON。通過研究發現，當溫度為室溫時，內層以Si3N4為主，外層以SiON為主[12]，并且隨著N2含量的增多表面會越來越平整，同時還發現了樣品表面疏水性能與等離子體的處理有一定關系，當使用等離子體處理后，疏水性能提高。蘇州大學錢嘉偉[13]使用螺旋波等離子體源在硅襯底表面快速沉積碳納米材料。結果顯示，隨著磁場的增加，薄膜生長速率隨著等離子體密度變化增加而增加，并且當薄膜在2100Gs時，最低摩擦系數為0.005。當磁場變大時，薄膜也更為致密[13]。季佩宇等人[14]通過Ar/CH4螺旋波等離子化學氣相沉積法制備了垂直石墨烯納米片，通過改變生長時間實現了對垂直石墨烯納米片參數的調制。結果表明，垂直石墨烯納米片的高度隨時間呈現線性變化，由4min時的1.2μm增加到25min時的6.2μm，平均生長速率為0.26μm/min。隨生長時間的增加，垂直石墨烯納米片尺寸增加，最終導致結晶度增加。

3.2.刻蝕

在刻蝕上相較于電容耦合等離子體源與電感耦合等離子體源，螺旋波等離子體源有著更加高的電子密度，而高密度的等離子體源可以有效的提高刻蝕速率。Chen在早些年提出[15]以迷你放電為基本單元的大型陣列螺旋波等離子體源，在擴展區中兩邊通過電磁鐵對等離子體進行改善徑向約束，從而進行刻蝕由于需要很大的電磁鐵，這種裝置不適合大規模制造，也沒有被半導體工業采用。但關于螺旋波等離子體的刻蝕研究沒有就此停止。

H.Kitagawa等人[16]通過NF3螺旋波等離子體對硅進行刻蝕研究。結果表明，氣壓會影響硅的刻蝕速率，氣壓越低，刻蝕速率也越低，并且腔室中的低磁場會使刻蝕變得更加均勻。Jung-Hyung Kim等人[17]研究了脈沖調制螺旋波等離子體中的多晶硅刻蝕。研究發現，在脈沖模式下與自偏壓成正比的抗蝕率高于連續模式。通過調節調制頻率可提高刻蝕速率和選擇性。P.Chabert等人[18]研究了SF6螺旋波等離子體對4H-SiC的刻蝕速率與氣壓、功率、襯底偏置電壓、基片臺及螺旋波源間距的關系。在確保良好均勻性的前提下，最高刻蝕速率達到1.35μm/min在4H-SiC基片上的刻蝕深度為330μm。Hyoun Woo Kim等人[19]利用O2/Cl2螺旋波等離子體刻蝕Ru進行了研究。結果表明，當Cl2/（O2+Cl2）氣體流量為20%時，達到最大刻蝕速率0.00056μm/min。腔室壓力對Ru的刻蝕速率也有很大影響。Ru的刻蝕速率隨著壓力增加而增加。在高壓下，存在較多自由基，產生較多揮發性的RuO4是提高刻蝕速率的原因。他們針對ICP和HWP兩種不同等離子體源對Ru的刻蝕也做了研究[20]，結果表明，無論在哪種等離子體源下，Ru的刻蝕速率在Cl2/（O2+Cl2）氣體流量比0.1-0.3范圍內達到最大值，且隨總氣體流量的增加而增加。ICP刻蝕Ru表面為純Ru，而螺旋等離子體刻蝕Ru表面為非晶和RuO2組成。J.Sporre[21]等人采用螺旋波氫等離子體對EUV光學元件Sn刻蝕做了相關研究，結果表明，在2000W的射頻功率下，可以在6分鐘內從一個1cm2基板上完全蝕刻超過240mm的錫，蝕刻速率約為38mm/min。

4.結論以及未來展望

本文主要針對等離子體與材料的相互作用，介紹了一種高密度的螺旋波等離子體源。首先，介紹了螺旋波等離子體的基本特征，討論了螺旋波的色散關系、天線種類以及原理，這些特征對于理解螺旋波等離子體是非常必要的。而后，對螺旋波等離子體在材料領域中的研究進行了綜述。

對于未來螺旋波等離子體還有很長的一段路要走，在未來的發展需要達到以下目標：

（1）通過射頻功率能高效率的將能量耦合到螺旋波等離子體中，但對于其中的物理機制，現在還尚不明確。Shamrai提出TG模式吸收機理，TG模式吸收機理認為螺旋波的等離子體源中有兩種波，即螺旋波和 TG波。螺旋波位于等離子體內部與表面的TG波耦合，TG波屬準靜電波在等離子體表面吸收能量[22]。弱螺旋波阻尼和強TG波阻尼致使螺旋波放電產生等離子體的高電離效率，這是目前人們普遍接受的機制。

（2）螺旋波等離子體源基本現象的深入研究，如低磁場峰現象，在磁場60Gs左右時，會出現一個等離子體密度峰值，因為螺旋波從末端邊界反射（導體和絕緣體的相位相反），從而增加電離和密度。低場峰的物理機制既然對了解等離子體特性有所幫助，也能促進螺旋波等離子體源的發展和設計。

（3）應用，在工業應用方面，除了現有的等離子體蝕刻、沉積、電推力器和材料表面處理工藝外，還可以在環境和醫療領域進行研發。希望在不久的將來能發揮重要作用。

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（作者單位：成都大學 機械工程學院）