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ECR等离子体离子参数的测量研究

作　者: 谭必松
导　师: 马志斌
学　校: 武汉工程大学
专　业: 材料学
关键词: ECR等离子体离子灵敏探针离子温度离子密度等离子体电势离子参数空间分布
分类号: O536
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

电子回旋共振（ECR）等离子体由于具有工作气压低、等离子体密度高等优点,广泛应用于微电子刻蚀、薄膜材料沉积、材料加工、材料表面技术中。在ECR等离子体中,等离子体参数（特别是离子参数）对薄膜质量、刻蚀速率等方面有着至关重要的影响。等离子体参数的测量是ECR等离子体应用的关键。国内外广泛开展了ECR等离子体电子参数的测量研究,然而很少有人开展关于ECR等离子体离子参数的测量研究。本文在自主设计的微波ECR等离子体装置上建立了一套等离子体离子参数自动测量系统,开展了离子参数的测量研究。主要工作如下:1、构建了一套等离子体离子参数自动测量系统,设计了可调性好、灵敏度高的离子灵敏探针（ISP）和Langmuir双探针,可满足离子参数和电子参数的同时测量。2、在高低两种气压模式下,研究ISP测量的影响因素,测量等离子体电势,探讨负电压区间的I-V特征曲线的变化机理,并运用双探针测量电子密度,分析等离子体参数对标准屏蔽高度的影响,结果表明:（1）离子收集极顶部和保护电极上端之间的距离,即所谓的屏蔽距离h,在一定范围内才能有效屏蔽电子,从而尽可能多的收集离子,使ISP更加准确的测量饱和离子流,h值过高,会屏蔽部分低能离子,导致离子温度测量值偏大;在收集电极与屏蔽电极之间加上小的负偏压V_B,能有效抑制探针附近通过E×B漂移运动到达离子收集电极的电子,负V_B过大,会提高离子饱和电流,使离子温度的测量值偏大。（2）ISP能稳定测量等离子体电势,不受V_B的影响,但其测量的准确性受h值影响。h值增大会引起鞘层等势面下降,使测量位置发生变化,从而影响其测量值的准确性,特别在电势径向分布陡峭的等离子体中。（3）负电压区间的I-V特征曲线取决于离子收集有效面积即鞘层表面积。h增加的过程中,负电压区间离子电流从逐渐增大的趋势变为先减小后增大的趋势,等离子体电势较小的区域变化趋势更明显。（4）ISP测量的离子密度与双探针测量的电子密度相吻合,与等离子体电中性性质一致。（5）标准屏蔽高度hc取决于电子回旋半径r_ge和由德拜半径λD决定的鞘层厚度,其取值范围为:10 r_ge≤hc≤10r_ge +8λD。3、用ISP对ECR等离子体离子参数进行了测量,研究了工作气压、微波功率对离子参数的影响,并探讨了工作气压、磁场位形对离子参数空间分布的影响,结果表明:（1）随着工作气压的增大,离子温度单调减小,离子密度先增大然后减小;随着微波功率从400W增加到800W,离子温度缓慢增加,离子密度先增加后趋于饱和。（2）气压对离子密度空间分布有显著的影响。低气压时,离子密度沿轴向及径向分布的均匀性较好;而高气压下离子密度沿轴向和径向分布陡峭。（3）离子温度与共振面密切相关,离共振面越近,离子温度越高。发散场中,离子密度沿轴向和径向都减小,离子密度在远离共振点的等离子体区域具有良好的径向均匀性;磁镜场中,离子被约束在磁镜中,磁场低洼处,离子密度最高;磁镜场中离子温度和密度比发散场中高。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第1章文献综述  11-27
  1.1 ECR 等离子体技术的研究概况  11-12
  1.2 ECR 等离子体的应用  12-17
    1.2.1 ECR 等离子体镀膜  13-14
    1.2.2 ECR 等离子体刻蚀  14-15
    1.2.3 微波ECR 离子源  15-17
  1.3 等离子体参数诊断  17-23
    1.3.1 电子参数的诊断  17-20
    1.3.2 离子参数的诊断  20-23
  1.4 离子灵敏探针的研究进展  23-24
  1.5 本工作的主要意义和研究内容  24-27
第2章 ECR 微波等离子体源及诊断系统  27-37
  2.1 ECR 等离子体源结构及原理  27-29
  2.2 离子灵敏探针结构设计及诊断原理  29-31
  2.3 朗谬尔双探针结构设计及诊断原理  31-33
  2.4 离子参数自动测量系统  33-35
  2.5 本章小结  35-37
第3章离子灵敏探针的测量研究  37-51
  3.1 引言  37
  3.2 屏蔽高度H 的变化  37-42
  3.3 偏压V_B 的变化  42-45
  3.4 负电压区间I-V 曲线特征  45-47
  3.5 电子密度验证离子密度  47
  3.6 等离子体参数对标准屏蔽高度H_C的影响  47-49
  3.7 本章小结  49-51
第4章 ECR 等离子体离子参数的测量  51-61
  4.1 引言  51
  4.2 气压对ECR 等离子体离子温度和密度的影响  51-52
  4.3 微波功率对ECR 等离子体离子温度和密度的影响  52-53
  4.4 ECR 等离子体离子参数的空间分布特性  53-59
    4.4.1 气压对ECR 等离子体离子参数的空间分布的影响  54-55
    4.4.2 磁场位形对ECR 等离子体离子参数空间分布的影响  55-59
  4.5 本章小结  59-61
第5章论文总结与展望  61-65
  5.1 论文总结  61-63
  5.2 展望  63-65
参考文献  65-71
攻读硕士期间已发表的论文  71-72
致谢  72

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