容性耦合射频(CCRF)放电等离子体特性实验研究

利用自行研制的传感器和测量装置 ,通过对射频放电电压电流以及其相位角的测定 ,算出放电管的总阻抗 ,结合放电管的等效电路 ,对容性耦合射频 (CCRF)激励激光器放电特性进行研究 ,得出容性耦合射频激励激光器等离子体的伏安特性的曲线 ,以及等离子体电阻、容抗与气体压强、放电电流之间的实验曲线 ,在Godyak射频放电模型的基础上得出等离子体的电子密度 ,并同内置铜电极射频激励铜离子激光器阻抗特性进行了比较。

容性耦合射频放电等离子体的仿真模拟与实验诊断研究

针对工业生产与军事应用上低气压、低温非热平衡等离子体的制备和实验诊断问题,采用COMSOL软件等离子体模块进行仿真模拟,建立容性耦合射频等离子体放电的一维流体模型,设定He气为工作气体,数值研究不同电压、不同气压条件下等离子体电子数密度和电子温度的轴向分布。搭建等离子体产生及诊断实验平台,根据均匀射频放电的等效回路计算得到电子密度ne与电子温度Te,将所得数据与流体模型仿真模拟相比较,得到了一致的结果。研究表明:当气体压强为100~250Pa时,极板间电子密度沿轴向先增大后减小,平均电子密度随驱动电压与输入功率的增加而增加;电子温度在极板中心处取得最小值,极板边缘存在两个峰值,平均电子温度仅是气压与腔体尺寸的函数,随驱动电压和功率的变化不明显,仅随气压的增大而减小。随着输入功率的增加,电子密度由逐渐上升转变为迅速上升,且在不同气压下这种电子密度的跃变出现在不同的电压幅值处,这标志着容性耦合放电中的α-γ模式转变。所得结论扩大了模拟仿真与实验快速无干扰诊断的应用范围,为进一步研究低温等离子体放电性质提供了技术支持。

容性耦合射频氩等离子体放电诊断研究及仿真模拟

针对中等气压、中等功率下射频容性耦合(CCRF)等离子体的放电特性,采用基于流体模型的COMSOL软件仿真,建立一维等离子体放电模型,以Ar为工作气体,研究同一气压时不同射频输入功率下等离子体电子温度和电子密度的分布规律。同时依据仿真模型设计制作相同尺寸的密闭玻璃腔体和平板电极,实验测量了不同射频输入功率时放电等离子体的有效电流电压及发射光谱,进而计算等离子体的电子温度及电子密度;利用玻耳兹曼双线测温法,得到光谱法下等离子体的电子温度及电子密度。结果表明:当气体压强为250Pa、输入功率为100～450W时,等离子体电压电流呈线性关系,电子密度随功率的增大而增大,而电子温度并未随功率的变化而有明显变化,其与功率无关。运用仿真模拟验证了实验的准确性,通过比较,三种方法所得的结果相近。通过结合等效回路法、光谱法和数值模拟仿真法初步诊断出中等气压下等离子体的放电参数,提出了结合三种方法作为实验研究的方法,使实验结果更具说服力,证明其方法的可靠性,也为进一步的等离子体特性研究提供依据。

基于空心电极增强的容性耦合射频等离子体特性

为了提高容性耦合射频放电所产生的等离子体密度,在射频放电中利用空心电极结构替代平板电极,实验研究射频空心电极放电的等离子体特性。利用Langmuir探针诊断了电极间距、孔径和孔深对等离子体电子数密度的影响,并且对不同放电参数下空心电极上的自偏压进行了比较。实验结果表明:当空心电极孔径d=20 mm、电极间距L=3 cm、孔深h=3 mm、气压p为50~300 Pa时,在孔外获得的等离子体电子数密度最高,约为10^17~10^18m^-3。同时实验测得不同放电参数下射频空心电极上的自偏压也完全与鞘电压分布的"面积比"规律相符,即小电极处的鞘电压更高。射频振荡加热和空心阴极效应相互耦合能够产生稳定性好、电离率高、密度高的等离子体,电极几何参数和自偏压对获得高密度等离子体有着重要的影响。

放电参量对射频容性耦合等离子体电子密度的影响

为了提高射频容性耦合等离子体电子密度,研究放电参量对其的影响。通过采用朗缪双探针法诊断分析了放电气压、气体组分、射频功率以及掺Hg等放电参量对圆柱形射频容性耦合等离子体放电装置的电子密度的影响。结果表明:随放电气压的增加,电子密度呈现出先增大后减小的变化,在30Pa-550Pa下,电子密度随气压的增大而增加,在550Pa-650Pa下,电子密度随气压的增大而减小;往Ar中通入一定体积分数的He,有增加等离子体电子密度的影响,且当He的体积分数为15%时,电子密度最大;等离子体电子密度随射频功率的增大而增加;向Ar中掺少量的Hg,有明显增加等离子体电子密度的效果。

射频电感耦合闭式等离子体产生与光谱诊断的实验

设计了一种闭式等离子体发生装置,采用射频电感耦合方式,以氩气为工作气体,在封闭式腔体低气压环境下进行放电实验。利用发射光谱法,测量了密闭腔体侧面方向的Ar谱线数据,研究了等离子体电子激发温度和电子密度随空间位置的分布规律以及不同射频功率对电子激发温度和电子密度的影响。等离子体中电子激发温度的变化通过玻尔兹曼斜率法进行分析,电子密度的变化则通过分析Ar原子750.4nm谱线强度变化获得。实验结果表明,该发生装置能够产生均匀持续的等离子体层,等离子体中电子激发温度约为9 500K。等离子体电子密度和电子激发温度随着输入射频功率的增加而增大,但变化幅度在减弱;当足够的输入功率时,等离子体层参数随位置的变化幅度较小。

射频电感性耦合等离子体调谐基片自偏压特性

采用调节射频电感性耦合等离子体中基片电极与地之间的外部电路阻抗的方法,控制基片电极的射频自偏压。研究了调谐基片自偏压随外部调谐电容值的变化特征,得到了调谐基片射频自偏压随射频放电功率、气压的变化曲线。在一定放电参数区域内,调谐基片射频自偏压随调谐电容的变化曲线呈现跳变、双稳、迟滞现象。

阻挡材料对射频容性耦合等离子体放电参量的影响

为进一步探索射频容性耦合等离子体放电影响因素,本文运用数值仿真技术,构建了容性耦合等离子体的一维发射装置,施加射频源,仿真气体设定为氦气,极板间距恒定75 mm,研究了插入阻挡材料厚度、介电常数对极板间周期平均电子密度、周期平均电子温度及周期平均电势的影响。仿真结果显示:插入阻挡材料的介电常数越大,气体间隙中间的周期平均电子密度最大值越大,高电子密度区域的周期平均电势最大值越小,阻挡材料附近的周期平均电子温度极大值越加,但气体中间极小值基本不变;周期平均电子密度最大值随阻挡材料厚度的增加先增后减,阻挡材料厚度具有最优值,且随着介电常数增大,最优值增加;周期平均电势最大值及阻挡材料与气体边界处的周期平均电势值虽都与阻挡材料厚度呈正比,但两者差值随阻挡材料厚度增加近似不变。所得结论对改进传统的射频容性耦合等离子体获取具有重要意义。

利用射频与高压直接耦合等离子体注入进行不锈钢表面改性

介绍了一种新的等离子体离子注入在不锈钢表面改性上的应用。将高压脉冲和射频脉冲直接耦合到工件上,不需外部等离子体源,利用工件自身加射频产生等离子体,随后施加高压对不锈钢表面进行了注氮处理。XPS分析显示,在基体表面有氮元素存在,说明实现了射频与高压直接耦合的离子注入效果。进一步研究表明,等离子体离子注入后,在不锈钢基体表层形成了Cr2O3以及CrN,FeN等硬质相,因此处理后的试件耐摩擦、磨损和耐腐蚀性能得到了较大提高。同时研究显示,射频脉冲宽度或射频与高压相位的改变对摩擦系数影响不大。

脉冲射频/40kV高压直接耦合等离子体离子注入电源系统研制

研制的用于等离子体浸没离子注入（PIII）的电源系统采用高压隔离与高频滤波技术,将40 kV高压脉冲电源与13.56 MHz射频电源直接耦合,由单一输出电缆连接到实验靶台上,通过射频与高压脉冲的时序控制,实现了40 kV的高压脉冲与脉冲射频交替输出。工作过程中,通过射频产生等离子体,而后施加高压脉冲获得离子注入,进而实现PIII与沉积。该电源系统的性能指标为：高压脉冲电压幅值10-40 kV,脉冲频率10-1000 Hz,射频脉冲宽度0.01-10 ms,射频与高压间隔0.1-10 ms,高压脉冲功率6 kW,射频脉冲功率1 kW。实验研究表明能够有效的实现PIII。本文将介绍该种新电源的设计思想、电路以及在内凹零部件（如管筒内壁）等离子体离子注入等方面的应用。

射频等离子体聚合类聚乙烯氧抗菌功能材料的研究

以乙二醇二甲基醚为单体,采用射频等离子体化学气相沉积的方法制备类聚乙烯氧(PEO- like)功能材料。通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)和接触角测量仪等对材料的化学成分及表面性能进行了测试,研究等离子体工艺参数对PEO-like薄膜化学成分的影响。材料生物测试的结果表明:制备的PEO-like薄膜能够较好地阻抗血小板的吸附。

静电探针测量射频感应耦合等离子体密度

本文介绍了一种可以测量射频感应耦合等离子体密度的静电探针方法。并给出了它的测量原理，实验方法和实验结果。实验结果表明：所测等离子体密度反映了等离子体的特性，并且诊断手段简单、易行，为等离子体诊断提供了一种很好的实验手段。

低射频功率-电感耦合等离子体质谱法测定高纯石英样品中痕量钾

碱金属元素钾作为高纯石英产品中重要的杂质元素,其含量的准确测定对科学评价、开发高纯石英产品意义重大。采用常压混酸浸取—高温挥发除酸的方式进行高纯石英样品的化学前处理,基于电感耦合等离子体质谱仪,在低射频功率下,以50 ng/mL铷为内标元素,大幅消除了钾元素测定中背景产生的质谱干扰,实现了高纯石英样品中痕量钾元素的测定。对测试过程中的样品称样量、质谱测定中的射频功率、采样深度、载气流速等进行了条件优化。最终在称样量1.0000 g、射频功率800 W、采样深度5.6 mm、载气流速1.06 L/min的最优条件下,经测定钾质量浓度在0.100~50 ng/mL范围内与其质谱强度呈线性相关,相关系数为0.9996。以1.0000 g称样量计,方法对高纯石英中钾的检出限为0.057μg/g,定量限为0.191μg/g。选择典型商品化高纯石英样品进行本方法的应用试验,每个样品平行测定9次,并进行加标回收率试验和方法比对试验,测定值与石墨炉原子吸收光谱法的测定结果基本一致,相对标准偏差(RSD)在2.9%~5.1%之间,加标回收率在96.4%~105.4%之间。

不同高盐基体对电感耦合等离子体质谱法射频源的匹配特性

电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)具有灵敏度高、精密度好、检出限低、同时测定多种元素等优点,已被广泛用于不同类型样品中痕量元素的分析。在ICP-MS分析中,要求样品的含盐量低于0.3%,这是因为样品中大量的盐会在ICP-MS的炬管、采样锥、截取锥或离子透镜上沉积、堵塞进而影响仪器的灵敏度,同时,也会造成基体干扰。另一方面,高盐溶液的引入会影响分析信号的稳定性。

射频感应耦合等离子体朗缪双探针诊断分析

采用朗缪探针法对射频感应耦合等离子体进行了诊断分析,得到了圆柱形ICP放电装置的电子密度和电子温度。通过朗缪双探针研究了不同放电气压、不同射频功率、不同放电位置、不同气体组分对等离子体参数的影响。一定功率下,电子密度在30Pa-100Pa之间随气压的增加而增大,在100Pa-160Pa之间随气压的增加而减小,电子温度在30Pa-160Pa之间随气压的增加而减小;一定气压下,电子密度在50W-1900W之间随功率的增加逐渐增大,电子温度在50W-900W之间随功率的增加而减小,在900W-1900W之间随功率的增加而增大。等离子体辉光区域不同位置的电子密度和电子温度各不相同,电子密度大的位置具有较低的电子温度。氩氮混合气体的电子密度随着气压的增加而减小,氮气在混合气体中的比例越高混合气体的电子密度越小;氩氮混合气体相比纯氩有着更高的电子温度,且氮气含量越高混合气体的电子温度也越高。

感应耦合等离子体刻蚀InSb时偏压射频源功率的选取

以CH4/H2/Ar为刻蚀气体,对带有SiO2掩膜图形的N型InSb晶片进行了感应耦合等离子体(ICP,inductively coupled plasma)刻蚀。研究了不同偏压射频源(RF)功率对InSb的刻蚀速率、刻蚀表面粗糙度以及InSb与SiO2的刻蚀选择比的影响,得到了ICP刻蚀InSb时的一个优选的偏压射频源功率值。结果表明:当偏压射频源功率为150 W,ICP功率为800 W,反应室压力为1.0 Pa,CH4/H2/Ar的体积流量比为3/10/1时,InSb的刻蚀速率可达90 nm/min,刻蚀表面的平均粗糙度(Ra)约为6.1 nm,InSb与SiO2的刻蚀选择比约为6。

射频电感耦合离子源放电室内放电等离子体的二维磁流体模拟研究

为了研究平面盘香形射频离子源等离子体放电特性,对射频电感耦合离子源内的放电等离子体运用磁流体动力学建立二维磁流体模型进行数值模拟,得到了放电室内等离子体参数分布。结果发现电子由于受双极性电势的约束主要分布在放电室的中心,放电等离子体吸收能量的区域主要在放电室内距天线1 cm附近。对比电子的温度和离子密度分布,在低气压条件下,电子加热的区域和产生电离的区域是分开的,电子加热的区域出现在线圈附近,而最强的电离过程发生在双极性电势最高的位置附近。

射频感性耦合等离子体源的研发

本文介绍了自主研发的射频感性耦合等离子体源(RF-ICP)原理、设计和相关测试结果。RF-ICP主要由真空放电室、电感线圈(射频天线)、气体导入组件和射频电源及功率匹配器构成等组件构成。RF-ICP工作时,线圈电流产生的高频磁场在放电室内产生感应电场,电子在电场加速下完成等离子体激发过程。模拟RF-ICP放电过程,优化了放电室形状和整体结构。通过实际测试验证了设备性能。

容性耦合等离子体腔室放电特性仿真研究

容性耦合等离子体射频放电广泛应用于IC制造中的薄膜沉积、刻蚀工艺中,等离子体中的电子密度和平均电子温度直接影响离化及激发反应速率,其在放电腔室中径向分布的均匀性严重影响刻蚀和薄膜沉积的均匀性。以某12寸腔体为研究对象,采用Comsol软件仿真研究了功率电极电压、腔室气压和极板间距对等离子体的电子密度和平均电子温度的影响规律。仿真研究发现:在研究的气压、电压、极板间距范围内,电子密度和平均电子温度随电压的增加而增加,其均匀性随电压的增加而变差;电子密度随气压的增加而增加,平均电子温度随气压的增加而降低,电子密度的均匀性随气压的增加而改善,电子温度的均匀性随气压的增加先变差再变好;电子密度随极板间距的增加而增加,平均电子温度随极板的增加而降低,电子密度和平均电子温度的均匀性随极板间距的增加而变好。研究结果对指导等离子体参与的IC工艺腔室结构设计及工艺控制具有重要意义。