电源接入方式对双频容性耦合等离子体性质的影响

李欣昱，吴集盾，黄晓江

(东华大学 理学院，上海 201620)

双频容性耦合等离子体(dual-frequency capacitively coupled plasma，DF-CCP)的装置简单，且能够对离子通量和能量分别进行独立控制，因此被广泛应用于介质刻蚀生产线。但DF-CCP还有许多问题尚待解决和研究，例如等离子体的均匀性、两个电源的接入方式等都是其研究的重点。其中关于两个电源接入方式如单极双频(两个射频电源接在一个电极上)和双极双频(两个射频电源接在两个电极上)的研究，大多采用数值模拟得出电子温度和密度的分布[1-5]。姜巍[4]采用单极双频的方式对容性耦合等离子体(CCP)进行模拟研究，得到电极间距为2.50 cm条件下电子温度和密度的轴向分布。Bi[5]采用模拟方法研究放电间距与双频接入方式对CCP的影响，结果表明：随着放电间距的增大，电子密度随之增加，径向电子密度均匀性也逐渐变好；单极双频放电时连接电源的电极附近区域电子密度较高，双极双频放电时高频电极附近区域的电子密度较高；双极双频放电时的电子密度高于单极双频放电时的电子密度。

试验研究基本上是测量等离子体中心区域的电子温度和密度。袁强华等[6]使用13.56和94.92 MHz电源进行双极双频的氩等离子体放电研究，测量了中心区域电子温度随高、低频功率变化的曲线。刘文耀[7]在双频容性耦合碳氟等离子体的光学诊断研究中，单极双频放电下利用发射光谱内标法测得等离子体密度随高频电源频率及气压变化的曲线图。

在试验研究中，由于装置等因素的限制，电极间距难以改变并且调节范围较小，针对大间距放电的研究以模拟为主。Yang等[8]等通过模拟方式研究了改变电极间距对等离子体的影响，选取的电源为单频13.56 MHz，电极间距为0～100 mm，研究发现，电子密度呈双峰结构，在两侧鞘层的电离率最高，并且随着电极间距增大，电离率下降。You等[9]采用试验方法研究13.56 MHz电源放电时电极间距效应引起的等离子体能量分布的变化，结果发现，电极间距较小时，低能电子能够被有效加热，其中选取的最大电极间距为100 mm，是迄今为止间隙范围较大的试验研究。

本文采用试验方法，利用发射光谱结合碰撞辐射模型获得了双频(27.12和2.00 MHz)电源放电时氩CCP中电子温度和密度的轴向分布，并对比研究了单极双频和双极双频两种电源接入方式时CCP中电子温度和密度随高、低频功率和电极间距(30～100 mm)的变化情况。

1 试验装置

试验系统主要包括直径为60 mm石英真空腔体、两个直径为50 mm的不锈钢平板电极、射频电源以及进气系统和排气系统。采用两种不同电源接入方式时放电装置的真空腔体、两个电极和射频电源的示意图如图1所示，其中右侧为固定电极，左侧电极可通过在放电前未抽真空的环境下在0～100 mm内自由拉伸来调节电极间距。电源使用频率为27.12和2.00 MHz的RSG500型射频电源进行双频组合放电，根据试验需求选择单极双频或双极双频两种接入形式。

图1 不同电源接入方式的双频容性耦合等离子体放电装置图Fig.1 Dual-frequency capacitively coupled plasma discharge device diagram with different power supply access modes

由图1(a)可知，单极双频时两个不同频率的电源通过混频器一同接入右侧的电极，左侧电极接地，其中混频器可以减少高、低频电源之间的串扰。由图1(b)可知，双极双频时高频电源接入右侧的电极，低频电源接入左侧电极，为了进行对比，同样在右侧接入了混频器。侧面轴向中心位置有可以移动定位的光纤接口，接入AvaSpec-2048TEC型发射光谱仪的光纤来采集发射光谱试验数据。光谱仪分辨率为0.12 nm，测量范围为200～950 nm。本试验中，采用纯氩气体(>99.995%)放电，流量为20 mL/min，机械泵抽气使气压稳定在20 Pa。光谱仪在轴向两个电极间每间隔0.5 mm采集光谱，然后选取氩的波长分别为696.5和750.4 nm的两个峰，得到这两个波长谱线强度的轴向分布。再利用氩的碰撞辐射模型(CR Model)[10],通过计算获得氩等离子体的电子温度和电子密度的轴向分布。

2 结果与讨论

2.1 高、低频电源功率对轴向电子密度和电子温度的影响

在气压为20 Pa、电极间距为30 mm时，以单极双频的电源接入方式进行氩等离子体放电，电子密度和电子温度的轴向分布随高、低频电源功率的变化如图2所示。

图2 单极双频电源放电时电子密度和电子温度的轴向分布Fig.2 Axial distribution of electron density and electron temperature in unipolar dual-frequency power supply discharge

由图2(a)可知：保持高频27.12 MHz电源的功率为40 W时，在20～60 W内改变低频2 .00 MHz电源的功率，对应的电子密度的变化范围较小；而保持低频2.00 MHz电源的功率为40 W时，在20～60 W内改变高频27.12 MHz电源的功率，对应的电子密度变化范围较大。由此说明，在使用单极双频的电源接入方式时，高频电源的功率对电子密度的影响比低频电源功率大，这是因为高频电源功率的增加会使鞘层变薄和电子密度增大。由图2(b)可知，高频电源功率对电子温度的影响也要比低频电源功率大。这是因为电子密度增加的同时，电子碰撞加剧，电子温度下降。

DF-CCP的优点是高频电源能够获得较高的等离子体密度，达到独立控制电子密度的目的。所得的试验现象也说明了高频电源主要控制电子密度，但实际上低频电源功率的变化也会对电子密度有一定影响，因此在实际的双频放电中，高、低频是未完全解耦的。

在同等条件下，当双极双频电源接入方式时，电子密度和电子温度的轴向分布随高、低频电源功率的变化如图3所示。由图3可知，双极双频电源放电与单极双频电源放电有类似的趋势，高频电源功率对电子密度和电子温度的影响都比低频电源功率大。

图3 双极双频电源放电时电子密度和电子温度的轴向分布Fig.3 Axial distribution of electron density and electron temperature in bipolar dual-frequency power supply discharge

2.2 高、低频电源接入方式对轴向电子密度和电子温度的影响

将单极双频和双极双频电源放电时电子密度和电子温度轴向分布进行比较，如图4所示。

图4 不同电源接入方式放电时的电子密度和电子温度的轴向分布对比Fig.4 Comparison of axial distribution of electron density and electron temperature in different power supply access modes

由图4(a)可知，在电极间距和高、低频电源功率等放电参数都一致的情况下，使用双极双频电源接入方式放电时的电子密度比使用单极双频电源接入方式明显要高得多。这是因为使用双极双频电源接入方式时，右侧电极接入27.12 MHz频率的电源，左侧电极接入了2.00 MHz频率的电源，周围器壁是石英玻璃介质，电子在器壁上的损失较少，而使用单极双频电源接入方式时，右侧电极同时接入两个射频电源，左侧电极接地，在接地电极上会存在电子的损失。由图4(b)可知，由于使用双极双频电源接入方式放电时的电子密度较高，电子碰撞加剧，在一定功率下电子温度会较低，在电极间距和电源接入方式等放电参数都一致且总功率100 W不变的情况下，高频电源功率比重更大时，电子密度更大，而电子温度则更低。

2.3 电极间距对轴向电子密度和电子温度的影响

当气压为20 Pa、高频27.12 MHz电源功率为60 W和低频2.00 MHz电源功率为40 W时，以单极双频电源接入方式放电时电子温度和电子密度随电极间距变化的轴向分布如图5所示。

图5 单极双频电源放电时的电子温度和电子密度随电极间距变化的轴向分布Fig.5 Axial distribution of electron temperature and electron density in unipolar dual-frequency power supply discharge

由图5(a)可知，电子温度在两侧鞘层部分较高，中间等离子体主体区域较低，并趋于平稳。这是因为鞘层边缘部分的电场更强，对电子的加热更为明显，而等离子体的主体区域电子通过碰撞后趋于平衡，温度有所降低，随着电极间距的增加，等离子体主体区域的电子温度有所下降。这是由于电极间距较小时，两个极板间的电场较强，有利于电子的加热，而电极间距增大后电场也会随之变弱，电子温度略微降低。这与You等[9]使用13.56 MHz电源在较高的气压下放电时的结果一致，即电极间距减小会引起电子温度升高。在等离子体放电过程中，由于冉绍尔-汤森德效应[11]，低能电子的弹性碰撞截面很小，在通过等离子体时能够不发生碰撞，从而发生共振加热；而高能电子在通过等离子体时，由于各种碰撞过程变成各向同性的电子，无法发生共振加热。因此，在电极间距较小时，低能电子的平均温度相对较高。

由图5(b)可知，等离子体的电子密度在两侧鞘层部分较低，中间的等离子体主体区域较高，且趋于平稳。这是因为鞘层两侧的电子温度较高，在一定功率下，电子密度就会相对较低，随着电极间距的增大，等离子体放电区域体积变大，主体区域的密度就会略微下降，在左侧接地电极即图5(b)中右侧有一个明显的下降趋势，这是由于接地电极一侧的电子损失会较多。

当气压为20 Pa、高频27.12 MHz电源功率为60 W和低频2.00 MHz电源功率为40 W时，以双极双频电源接入方式进行氩等离子体放电时，电子温度和电子密度随电极间距变化的轴向分布如图6所示。由图6可以看出，电子温度和电子密度的变化趋势与单极双频电源接入方式时大致相同：电子温度在两侧鞘层部分较高，中间等离子体主体区域较低，并趋于平稳，且随着电极间距的增加，等离子体主体区域的电子温度略微下降；电子密度在两侧鞘层部分较低，中间的等离子体主体区域较高，且趋于平稳。

图6 双极双频电源放电时的电子温度和电子密度随电极间距变化的轴向分布Fig.6 Axial distribution of electron temperature and electron density in bipolar dual-frequency power supply discharge

随着电极间距的增大，等离子体放电区域体积变大，主体区域的电子密度就会有所下降。这是因为使用双极双频电源接入方式放电时，两个电极都接入了射频电源，周围器壁是石英玻璃介质，电子在器壁上的损失较单极双频时少，而使用单极双频电源接入方式时，一个电极同时接入了两个射频电源，另一个电极接地，在接地电极上电子损失会更多，相对而言电子密度就较低。

3 结 语

本文采用27.12和2.00 MHz双频电源组合放电试验，对比了单极双频和双极双频两种不同电源接入方式对氩等离子体的电子温度和密度轴向分布的影响。从整体上看，高频电源功率对电子密度的影响比低频电源功率大，在相同的高、低频电源功率下，双极双频时的电子密度比单极双频时的高，电子温度则较低。这是因为双极双频时两个电极都接了射频电源，周围器壁是石英玻璃介质，电子在器壁上的损失较单极双频时少，而单极双频时一个电极通过混频器同时接入了两个射频电源，另一个接地，在接地电极上电子损失会更大一些。从电子密度的轴向分布来看，双极双频时的中间等离子体主体区域的电子密度更加平稳和对称，而单极双频时靠接地电极一侧电子密度有一些下降，这也与在接地电极附近电子相对损失较多以及高、低频电源在混频器上干扰等因素有关。因此，双极双频电源放电时电子温度和电子密度在电极间的分布更加对称和平稳，说明双极双频接法对电子约束更好，使得高频电源和低频电源馈入等离子体的效率更高。