射频感应耦合等离子体辅助非平衡磁控溅射的Langmuir探针和发射光谱诊断

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本文首先对感应耦合等离子体ICP(Inductively Coupled Plasma)做了详细的介绍,阐述了溅射沉积技术的发展和应用;并介绍了几种典型的溅射沉积方法及它们的特点。我们在非平衡磁控溅射沉积的基础上,引入射频感应耦合等离子体辅助溅射,进一步激励等离子体,增强等离子体参数。实验过程中,通过测量放电参数随气压的变化,得出非平衡磁控溅射等离子体的伏安特性曲线为异常辉光放电。在相同的溅射电压下,放电电流随气压的增大而增大。由于辅助磁场后加入有效的约束了等离子体,在相同条件下,放电电流增加2倍。在气压为0.2Pa,加入ICP,发现溅射电压随射频功率的增加成线性下降,而溅射电流随射频功率增大而增大;在射频功率增加到200W时,射频放电从容性模式跳变到感性模式,并且模式跳变幅度随着气压的升高而变小。采用自制的Langmuir探针,我们对ICP辅助非平衡磁控溅射等离子体进行诊断。根据等离子体参数,分析非平衡磁控溅射等离子体和感应耦合等离子体的相互作用。在射频功率为100W时,加入溅射功率100W,等离子体密度增加3倍;在射频功率是300W时,等离子体密度随溅射功率的加入增加1.1倍。在溅射功率为100W时,我们进一步诊断等离子体参数在真空室内的空间变化规律,并在射频功率的两种模式下做比较。通过诊断得知,在轴向空间,在感性模式下形成均匀稳定的高密度等离子体,等离子体电势存在梯度。射频功率的加入可以很好的提高等离子体参数,优化了它们的空间分布。射频功率为零时,等离子体参数在径向方向变化较大,加入ICP后,径向分布的均匀性得到明显改善。在射频功率为100W时,我们也分析了电子能量分布函数在轴向空间随溅射功率的变化规律。实验中利用发射光谱法,对419.83的氩原子谱线、434.81的氩离子谱线、324.75的铜原子谱线以及617.20的铜离子谱线做了采集。研究Ar,Cu原子和离子的发光强度随射频功率的变化规律,从而定性的研究等离子体参数的变化。通过诊断发现,在溅射功率为零时,只有射频偏压的作用,靶材上只有很少的铜原子溅射下来。加入溅射功率后,铜原子谱线和铜离子谱线的发光强度急剧增大,且随射频功率增大而增加幅度较慢;另外,我们也得出氩原子谱线和氩离子谱线在射频放电为200W时的模式跳变现象。
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