本文關(guān)鍵詞：碰撞條件下可組合式等離子體源的實(shí)驗研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來,低溫等離子體工藝在超大規(guī)模集成電路、微機(jī)電系統(tǒng)加工、材料表面改性、新型薄膜材料以及納米材料制備等前沿科技領(lǐng)域中有著極其廣泛的應(yīng)用,其中大面積、高密度、均勻等離子體源是實(shí)現(xiàn)快速沉積大面積、均勻功能性材料的技術(shù)關(guān)鍵。由于傳統(tǒng)單電極放電難以產(chǎn)生較為理想的等離子體源,通過多個電極組合放電是實(shí)現(xiàn)大面積、高密度、均勻等離子體源的有效途徑。然而,在這種多電極組合方式中,高密度和均勻性兩者間存在不可調(diào)和的制約關(guān)系,中高氣壓條件在產(chǎn)生高密度優(yōu)勢的同時,也由于碰撞效應(yīng)嚴(yán)重破壞了其均勻性,在以往的研究中,人們?yōu)榱说玫酱竺娣e、均勻的等離子體,往往選擇在低氣壓下工作,這使得等離子體密度受到極大限制。本文利用多個結(jié)構(gòu)小巧的凹腔型電感線圈進(jìn)行組合放電研究,發(fā)現(xiàn)了中高氣壓碰撞條件下,該多源組合等離子體密度具有顯著的非線性增強(qiáng)效應(yīng),基于該效應(yīng)在中高氣壓下成功實(shí)現(xiàn)了大面積、高密度、均勻等離子體源的制備,并且得到一種有效的技術(shù)方法,可以對等離子體參數(shù)進(jìn)行調(diào)控；本文同時提出一種加懸浮極單探針診斷方法,用于碰撞條件下、真空室壁受污染環(huán)境中等離子體參數(shù)的診斷,提高了單探針診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。 中高氣壓下,單個電感線圈放電產(chǎn)生的等離子體由于碰撞具有高密特性,同時又因為碰撞破壞了密度的均勻性,擴(kuò)散區(qū)等離子體密度呈指數(shù)衰減,可以建立線性損失-擴(kuò)散模型對擴(kuò)散區(qū)等離子體密度分布進(jìn)行描述。多個電感線圈組合放電時,每個電感線圈放電具有獨(dú)立性,線圈之間沒有干擾,所以多源組合等離子體密度具有簡單的線性疊加性質(zhì),這在一定程度上提高了等離子體密度的均勻性,更重要的是,在中高氣壓碰撞條件下,多源組合等離子體密度在一定的參數(shù)范圍內(nèi)還表現(xiàn)出顯著的非線性增強(qiáng)效應(yīng),即多個線圈組合放電產(chǎn)生的等離子體密度高于各個線圈單獨(dú)放電產(chǎn)生的等離子體密度的線性之和。在線性損失-擴(kuò)散模型中考慮多步電離過程后得到的非線性模型,可以很好的模擬這種非線性增強(qiáng)效應(yīng),這說明非線性增強(qiáng)效應(yīng)是由于擴(kuò)散區(qū)多步電離過程引起的,并通過氦氣組合放電實(shí)驗證實(shí)了該結(jié)論。實(shí)驗和模擬結(jié)果表明,多源組合等離子體密度非線性增強(qiáng)效應(yīng)與線圈數(shù)、線圈位置以及單個線圈獨(dú)立放電產(chǎn)生的等離子體密度密切相關(guān)。高密度往往和均勻性相互制約,保持放電功率不變時,要想得到更高的等離子體密度,就需要提高氣壓,而升高氣壓帶來的強(qiáng)碰撞又會阻礙等離子體擴(kuò)散,嚴(yán)重破壞密度均勻性,多源組合放電可以有效調(diào)和二者關(guān)系：利用中高氣壓碰撞條件下單源等離子體高密度特性,通過多個結(jié)構(gòu)小巧的凹腔型放電線圈進(jìn)行組合放電,獲得大面積、高密度的等離子體源,同時結(jié)合非線性增強(qiáng)效應(yīng)有效提高等離子體密度的均勻性。 本文通過六源組合在r=10cm、15cm、20cm位型下,分別在其特征氣壓下放電,得到有效直徑15cm、22cm和32cm的大面積均勻等離子體源,等離子體密度均勻性在90%以上,密度可以通過放電功率來調(diào)節(jié),最高密度可達(dá)到1×1019m-3,另外電子溫度分布均勻,這些參數(shù)已經(jīng)符合大面積等離子體源的要求。實(shí)驗研究發(fā)現(xiàn),等離子體密度的相對分布受氣壓的影響較大,受放電功率的影響較小,調(diào)節(jié)放電功率可以改變等離子體密度的絕對值,因此,可以首先確定密度分布最均勻時對應(yīng)的特征氣壓,在特征氣壓下放電,通過調(diào)節(jié)功率來獲得我們所需要的大面積、均勻的等離子體源,實(shí)現(xiàn)等離子體源量化的目標(biāo)。 我們在r=10cm的等離子體源下,利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法進(jìn)行了硅薄膜材料沉積的實(shí)驗研究。實(shí)驗結(jié)果表明,利用六源組合構(gòu)建的高密度等離子體源在做薄膜沉積時,具有較高的沉積速率,同等條件下,沉積速率會隨著放電功率的升高而增加,并且由于等離子體源面積較大,可以做大面積薄膜沉積,滿足工業(yè)應(yīng)用的要求。 本文介紹了單探針診斷中經(jīng)常遇到的兩類問題,一類是由于探針電流測量回路受阻,導(dǎo)致的電子飽和流收集的問題,另一類指的是,在利用三角波形電壓得到探針V-I曲線時,其上升沿和下降沿電壓得到V-I曲線分別在橫坐標(biāo)上出現(xiàn)向左和向右的偏移,發(fā)生“回滯”現(xiàn)象。實(shí)驗結(jié)果表明,這兩種曲線畸變現(xiàn)象都是由于真空室壁受污染所致,我們利用單探針V-I特性曲線模型和探針等效電路模型對兩類曲線畸變現(xiàn)象進(jìn)行模擬,模擬結(jié)果與實(shí)驗結(jié)果一致。因此本文提出了一種加懸浮極單探針診斷方法,有效避開真空室壁對探針測量的干擾,得到真實(shí)而完整的V-I特性曲線,并且通過實(shí)驗和模擬驗證了這種方法的優(yōu)越性。
【關(guān)鍵詞】：凹腔型射頻感應(yīng)耦合等離子體 碰撞條件下 組合 大面積等離子體源 多步電離 非線性增強(qiáng)效應(yīng) 加懸浮極單探針 電子能量分布函數(shù) 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣象沉積 非晶硅薄膜
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O53
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 引言13-25
• 1.1 低溫等離子體源概述13-21
• 1.1.1 低溫、高密度等離子體13-19
• 1.1.2 多源組合等離子體19-21
• 1.2 低溫等離子體診斷方法21-23
• 1.2.1 靜電探針診斷21-22
• 1.2.2 微波診斷22-23
• 1.3 非晶硅薄膜的制備23-25
• 第2章 加懸浮極單探針診斷方法25-63
• 2.1 碰撞條件下靜電單探針理論概述25-26
• 2.2 單探針測量原理26-32
• 2.2.1 單探針V-I特性曲線26-29
• 2.2.2 電子能量分布函數(shù)29-32
• 2.3 單探針測量的遇到的問題32-50
• 2.3.1 整體電中性對探針測量的約束32-40
• 2.3.2 真空室壁受污染引起的測量問題40-43
• 2.3.3 利用探針V-I曲線模型和等效電路模型對兩種畸變現(xiàn)象的模擬分析43-50
• 2.4 加懸浮極單探針測量的實(shí)驗研究50-61
• 2.4.1 實(shí)驗裝置50-55
• 2.4.2 模擬和實(shí)驗分析55-61
• 2.5 本章總結(jié)61-63
• 第3章 碰撞條件下凹腔型射頻感應(yīng)耦合等離子體的性質(zhì)63-91
• 3.1 碰撞條件下單源等離子體性質(zhì)63-75
• 3.1.1 單源等離子體的源區(qū)和擴(kuò)散區(qū)64-65
• 3.1.2 碰撞條件下單源等離子體的獨(dú)立性65-66
• 3.1.3 單源等離子體擴(kuò)散區(qū)密度分布特性66-68
• 3.1.4 單源等離子體擴(kuò)散區(qū)線性損失-擴(kuò)散模型68-75
• 3.2 多源組合等離子體性質(zhì)75-86
• 3.2.1 多源組合等離子體密度非線性增強(qiáng)效應(yīng)76-78
• 3.2.2 非線性增強(qiáng)效應(yīng)的影響因素78-79
• 3.2.3 多源組合等離子體擴(kuò)散區(qū)模型79-84
• 3.2.4 氦氣組合放電實(shí)驗84-86
• 3.3 大面積高密度均勻等離子體源的構(gòu)建方法86-88
• 3.4 本章總結(jié)88-91
• 第4章 六源組合大面積等離子體源的實(shí)驗研究91-119
• 4.1 實(shí)驗裝置91-97
• 4.1.1 真空系統(tǒng)91-92
• 4.1.2 等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)92-95
• 4.1.3 診斷系統(tǒng)95-97
• 4.2 大面積等離子體源的實(shí)驗結(jié)果97-110
• 4.2.1 中心點(diǎn)等離子體密度和電子溫度隨放電參數(shù)的變化97-100
• 4.2.2 線圈連線上等離子體密度分布100-107
• 4.2.3 線圈連線上電子溫度分布107-109
• 4.2.4 軸向上等離子體密度分布109-110
• 4.3 實(shí)驗結(jié)果分析110-117
• 4.3.1 線圈連線上等離子體密度分布的影響因素110-112
• 4.3.2 特征氣壓112-114
• 4.3.3 有效直徑32cm的大面積均勻等離子體源114-115
• 4.3.4 中心點(diǎn)等離子體密度非線性疊加系數(shù)的估算115-116
• 4.3.5 六源組合模擬116-117
• 4.4 本章總結(jié)117-119
• 第5章 非晶硅薄膜材料的制備119-131
• 5.1 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣象沉積裝置119-120
• 5.2 非晶硅薄膜的生長機(jī)理簡介120-122
• 5.3 薄膜性能的表征方法122-123
• 5.4 非晶硅薄膜制備的實(shí)驗研究123-129
• 5.5 本章總結(jié)129-131
• 第6章 總結(jié)及展望131-137
• 6.1 本文總結(jié)131-135
• 6.1.1 加懸浮極單探針測量方法131-132
• 6.1.2 大面積、高密度均勻等離子體源的構(gòu)建方法132-133
• 6.1.3 六源組合大面積均勻等離子體源的實(shí)驗研究133-134
• 6.1.4 非晶硅薄膜的實(shí)驗研究134-135
• 6.2 展望135-137
• 參考文獻(xiàn)137-143
• 附錄143-151
• 致謝151-153
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的研究成果153

【參考文獻(xiàn)】

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  本文關(guān)鍵詞：碰撞條件下可組合式等離子體源的實(shí)驗研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號：266476