电子束驱动及调制容性耦合等离子体实验研究

作     者：肖希健 

作者单位：东华大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄晓江

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 070204[理学-等离子体物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：电子束 容性耦合等离子体 电子能量概率函数 碰撞辐射模型 

摘      要：高密度、低能量等离子体是制造单纳米尺度的小尺寸半导体器件所需要的。目前,能够产生这种等离子体的一种有效手段是电子束等离子体,电子束主要在空心阴极产生,由于空心阴极的尺寸较小,因此外部功率源可以有效地将能量沉积至等离子体中有效地加热电子,高能电子在空心阴极中来回振荡,促进电离并产生高能量电子。之后,通过在栅极和加速电极间施加直流偏压,将电子从空心阴极中引出,形成高能电子束。这样的电子束有着高能量,高密度的特征,可以应用在许多方面:材料表面处理;蒸发难熔融物质并将其沉积至材料表面,形成薄膜;刻蚀等方面。有着很高的研究价值。本文将产生电子束的一体化电极与容性耦合放电腔相结合,利用射频驱动空心阴极放电,并将电子束注入容性耦合腔形成电子束容性耦合等离子体,并利用朗缪尔(Langmuir)探针和发射光谱法结合碰撞辐射模型研究了电子束容性耦合等离子体的放电特性:(1)电子束驱动容性耦合等离子体;(2)电子束调制容性耦合等离子体;(3)利用CCD相机和滤波片,通过CCD相机拍摄的放电图像,将其与光谱仪测得的数据进行标定,得到了电子束容性耦合等离子体特性的二维分布情况。在第一章中,介绍了低温等离子体常见的发生方式以及应用,并介绍了电子束等离子体在实验和模拟上的研究现状。在第二章中,介绍了电子束容性耦合等离子体的实验装置,以及所使用的诊断方法。在第三章中,研究了电子束驱动容性耦合等离子体的放电特性,利用Langmuir探针测量了容性耦合腔放电中心的等离子体参数随射频功率的变化,并将结果与发射光谱结合碰撞辐射模型的结果进行对比,发现两种方法得到的电子温度和电子密度趋势相一致。随后,利用Langmuir探针测量了不同射频频率对电子束驱动容性耦合放电的影响,发现由于自偏压随着射频频率的增大而减小,因此随着频率的升高,注入容性耦合腔的电子反而减少,电子密度下降,电子温度也下降。探究了工作气压对电子束驱动容性耦合放电的影响,其结果发现,气压升高,电子密度随之升高,由于碰撞的加剧,电子温度则逐渐下降,此外,从电子能量概率函数中可以观察到,随着气压的增大,高能电子浓度降低,低能电子浓度明显增大。这表明高能电子主要与中性粒子发生电离碰撞,产生了更多的低能电子。最后探究了直流偏置电压对放电的影响,其结果表明,电子密度在偏置电压的影响下逐渐升高,而电子温度几乎不受偏置电压的影响。这是因为偏置电压在栅极和加速阳极间形成了一个加速电场,由于电极间距太小,电子获得能量很小。因此偏置电压的作用主要是影响将电子从空心阴极中引出,进一步提高了容性耦合腔内的电子密度。在第四章中,研究了电子束调制容性耦合等离子体的放电特性,主要研究了改变外部参数以此改变电子束的特性,从而对容性耦合放电产生的不同调制作用。首先,比较了空心阴极侧射频功率和容性耦合腔下电极侧射频功率对放电特性的影响,并与单频容性耦合等离子体(CCP)进行了比较。结果表明,下电极侧的功率变化主要影响电子温度,而空心阴极侧的功率变化则主要影响电子密度,与单频CCP相比,电子束的注入会促进α-γ的模式转变,且仅需要较小的功率就能达到更高的电子密度。在探究空心阴极侧频率对放电参数的影响时发现,电子温度和电子密度对射频频率有着较高的依赖性,随着频率的升高,电子温度逐渐下降,电子密度也随着频率的上升而略微下降,但这不适用于射频频率过低的情况(2 MHz)。这同样是因为自偏压的减小而导致注入的电子浓度降低,而在2 MHz的情况,空心阴极内部的鞘层很厚,电子获得较高的能量,但由于体区被压缩,使得电离减少,电子密度较低。工作气压对放电的影响与第三章类似,气压的升高使得中性粒子与电子的碰撞增多,促进了电离碰撞的发生,产生更多的低能电子。同样的,偏置电压对放电的影响也主要是增大了电子密度,而几乎不影响电子温度。此外,随着偏置电压的升高,频率高时的电子密度增幅要大于频率较低时的电子密度。这表明了,在空心阴极内部,电子密度仍随着驱动频率的升高明显升高。在第五章中,观察了电子束驱动容性耦合等离子体和电子束调制容性耦合等离子体的二维分布随外部参数射频功率的变化趋势。在电子束驱动容性耦合等离子体中,功率的增大使得更多的电子从喷口处进入容性耦合腔,并且保持着“束状向下延伸,电子温度则表现出了与之相反的趋势。通过对比改变空心阴极侧和下电极侧的二维分布变化可以看出,改变空心阴极侧射频频率主要影响电子束的特性,随着功率的升高电子密度以及高能电子都增多,这使得注入后更多的高能电子与中性粒子发生电离,因而对电子密度的影响更大。而改变下电极侧的功率则导致电子获得更高的能量,并且放电的二维分布更均匀。