射频感性耦合等离子体源的研发

吴祖光，马自达，乌云额尔德尼，郭方准，臧 侃

（大连交通大学机械工程学院，大连 116028）

近年来，等离子体技术在新材料、新能源和全面革新微电子器件工艺方面开辟了许多新的研究方向[1]。我国在光谱分析和氮化物薄膜生长方面对等离子体源的需求不断增大，但是用于等离子体辅助分子束外延的RF-ICP完全依赖进口。为满足我国的科研需要，自主研发RF-ICP迫在眉睫。

本文所介绍的RF-ICP具有可靠性高、操作简便和寿命长等特点，其金属电极安放在放电室外，防止了溅射污染，无电极损耗，保证了所产生等离子体的均匀性和纯净度。感性耦合放电避免了在放电过程中离子能量和通量不能完全独立变化的限制，所以RF-ICP在等离子体工艺处理与等离子体光源等方面应用更为广泛。通过实际测试，证明RF-ICP可在高电子密度（＞1017m-3）和低压（＜10pa）下工作，适合氮化物成膜（GaInAlN等）或氮化物稀释（GaInAsN、II-VI族元素掺杂）等，该设备已被多家科研机构采用。

1 RF-ICP仿真计算

RF-ICP的物理反应现象相当复杂，为简化化学机理选择压力为2.66Pa，初始温度为300K的氩气作为反应气体。图1为三维放电室模型经切片显示的仿真结果。图1a为电子密度，图2b为电子温度，电子密度最高可达9.35×1018m-3，满足设计需要。从图上可以明显地看出放电室边缘的电子密度较低，约1.65×1017m-3。这是由于在高密度等离子体状态下，电场和磁场均在趋肤层内衰减，能量在趋肤层中释放并向其它区域传递[2]。电子温度最高为0.23eV，约为2669.15K（2396℃）。虽然等离子体的毕渥准则Bi＜＜1，但相比热金属，其边缘温度梯度还是比较低[3]。尽管电子在往复回旋运动过程中会产生碰撞，但电子向放电室器壁扩散的数量很少。在箍缩效应的影响下[4]，等离子体整体产生收缩现象，脱离开容器壁。放电室部分通常选用热解氮化硼（PBN）或石英材质。在高电子密度情况下，感性放电过程相当于一个变压器模型，等离子体相当于变压器的次级线圈感受能量，为了维持良好的等离子体密度，需要较高的线圈电流，但这会导致功率的损失增大。为了获得最大的功率转换效率线圈的设计要合理，放电室的厚度要足够薄。尽管放电室内的电场几乎与管的半径无关，综合考虑箍缩效应与线圈能量耦合的需要，放电室体积不宜过大或过小。

2 RF-ICP结构设计

RF-ICP的构造如图3所示，主要由真空放电室、电感线圈、导波片、支撑块、气体导入组件、冷却水循环系统、屏蔽罩等构成。等离子体源的电感线圈通过导波片和电极端子连接，将射频电源发出的能量导入到反应器中。电感线圈采用直径为3mm电导率较高的镀银铜线管，双排缠绕于真空放电室外侧。线圈的匝数约为3.5圈，射频长度为50mm，大半径为25mm，直线端穿过两支撑块焊接在法兰上。对于某个特定的射频频率，电感线圈的电感量窗口范围很小，为降低反射功率，铜线圈表面要做镀银处理。而银镀层在高温下易氧化，所以需要水冷装置，冷却水通过进、出水管接头在电感线圈内部循环。

图1 2.66Pa条件下的仿真结果

整套射频等离子体源的用材符合超高真空环境的使用要求，其中的电气绝缘部分采用三氧化二铝，其它大部分采用SUS304不锈钢，接口法兰为CF63型号。真空放电室外形为圆筒形，外径为24.6mm，壁厚为1mm，长度为80mm，前端面上均匀地开有直径为0.1mm的通孔若干。由于真空放电室内部需要从真空外界持续地导入反应源气体，而整个真空放电室又置于真空环境之中，这就使得真空放电室的内、外部存在一定的压强差。无需额外设计等离子体引出系统，产生的等离子体即可均匀地向外喷射[5]。气体导入组件包括法兰细管、微调阀、三通、导气管和密封组件等。反应源气体导入到真空放电室内可通过气体导入微调阀进行调节，气体流量也可以可通过外加气体质量流量计来控制。真空放电室与导气管通过两个支撑块保持同轴关系，支撑块采用无氧铜材料。电感线圈螺旋端通过导波片与电极端子相连接，导波片的外面套有绝缘管，防止与周围其他零件产生放电现象。射频放电区域会产生电磁干扰，因此需将整个放电部分罩在表面镀铝的屏蔽罩内部。除此之外，在等离子体源连接真空腔室的外侧设有备用法兰和观察窗，便于实验室备用装置的使用和观察反应源气体放电现象。

3 测试与讨论

通入氩气对该离子源的性能进行初步测试。在放电室内气压为2.33×101Pa，射频功率加载到103.3W，反射功率为0.1W，驻波比为1.103，Π型射频电源匹配网络Cm1调到307，Cm2调到850时，可以直接通过观察窗观察到氩气的放电现象。随着功率的提高，放电室内光亮大幅增强，并且当气体流量小时，需要加载更大的输入功率才能使气体放电。通过观察可以判断，等离子体首先在电磁场最大的中心区域产生，随后迅速扩散到整个真空放电室，针对不同射频功率和气体流量下射频等离子体源的启辉情况进行测试，数据见表1，由测试数据可见，射频功率和气体流量是影响气体放电的重要因素，气体流量越小需要加载的功率越大。在整个放电过程中，RF-ICP在放电过程中会发生E-H耦合模式的转变。电子密度首先随着线圈中电流的提升而升高，在进入H模式初期电子密度的增长速率最大。从转换效率的角度来看：在E-H转换区域功率转换效率最小，不同的气体流率，放电气压和气体组成都会对电子密度产生影响，最终影响E-H转换效率[6]。

图2 等离子体源结构

表1 测试数据