基于发射光谱的微波等离子化学气相沉积中的

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2021-09-04 08:44 热度：

　　摘要：在气压40~80Pa和微波功率400~800W条件下，使用光学发射光谱法(OES)对Ar、CH4等气体产生的等离子体进行电子温度诊断。实验结果表明，OES法测试得到的电子温度介于0.75eV到4eV之间。在含碳气体的微波同轴线型等离子体中使用OES方法进行诊断是可行的，这些研究结果可以进一步拓展OES方法在等离子体增强化学气相沉积领域中的应用。

　　关键词：电子温度诊断;微波等离子体;朗缪尔探针;发射光谱

　　0引言

　　随着石墨烯、碳纳米管、纳米金刚石等碳纳米材料的飞速发展，利用等离子体离化含碳气体，如甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)，进行化学气相沉积的方法越来越多的被采用。与传统热化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition，CVD)相比，等离子体增强化学气相沉积(PlasmaEnhancedChemicalVaporDeposition，PECVD)具有沉积温度低，对基体的结构和物理性质影响小，膜的厚度及成分均匀性好等优点[1-3]。

　　为有效控制沉积产物，对PECVD过程中等离子体的特性进行实时诊断与监控是十分必要的。在传统等离子体诊断中，Langmuir探针法是最主要的方法[4]。Langmuir探针是指将探针置于带电等离子体中，通过测量其电压-电流曲线，从而估算得到等离子体的电子温度和密度等特性。但是，在使用含碳气体作为气源的PECVD中使用Langmuir探针存在诸多困难[5-9]。含碳气体产生的等离子体中存在C，C2，CH等多种含碳元素离子和活性基团等，此时如果使用朗缪尔探针，当扫描电压为负时，此类含碳粒子将大量吸附在探针表面，形成一个电容电阻层。探针吸附杂质、变脏将导致电子温度和密度等等离子体参数无法测量。因此，近年来，利用光学发射光谱法(OpticalEmissionSpectrometry，OES)进行非接触测量被越来越多的采用。

　　光学发射光谱法是使用发射光谱测量电子温度，由于不接触等离子体，因此不会出现污染等问题[10-14]。光学发射光谱法一般通过分析等离子体反应中的原子光谱，然后通过Boltzmann法画图进行线型拟合后得到斜率，即得到等离子体的电子温度。在含碳气体等离子体中，虽然包含大量分子光谱，但是依然含有Hα，Ηβ，Ηγ，C等原子光谱，通过分析这些原子的谱线，就可能对等离子体中电子温度进行分析。其缺点是有一定适用范围，在电子浓度较低条件下放电等离子体不能达到局部热力学平衡(LocalThermodynamicEquilibrium，LTE)，可能会导致OSE方法的误差较大，出现结果不准确的问题[15-16]。

　　本文采用OES方法对一种特殊的微波同轴线型等离子体中的电子温度进行研究，通过对Ar、CH4等气体产生的等离子体进行测量，证明在微波同轴线型等离子体中使用OES方法是可行的，这些研究结果可以进一步拓展OES方法在PECVD领域中的应用。

　　1实验设计

　　本文设计的可用于微波等离子化学气相沉积(MicrowavePlasmaChemicalVaporDeposition，MPCVD)的微波同轴线型等离子体的装置如图1所示。

　　本文所用的微波激励源为磁控管，由其产生频率固定为2.45GHz的微波，功率可在400W~800W间调整。磁控管输出的微波使用TE10模式在WR340矩形波导中传输，其中矩形波导WR340的尺寸为8.6cm×4.3cm。

　　磁控管后连接一个加载了水负载的环形隔离器，使得在等离子体未激发时产生的反射波，将被水负载完全吸收，不会进入磁控管，从而使得磁控管工作状态稳定。

　　三销钉阻抗匹配器用于匹配阻抗，微波能最大限度得进入同轴等离子体反应腔中，将反射降到最低。传输线的末端是波导同轴连接器，用于将微波从WR340矩形波导导入同轴等离子体反应腔中激发等离子体。

　　同轴反应腔的结构如图2所示，该同轴等离子体反应腔使用同轴线进行微波传输。同轴波导的外径为150mm，内导体直径为8mm，使用玻璃管包围同轴内径。玻璃管的内径为29mm，外径为33mm。使用两个O形圈密封在玻璃管外壁的中间形成一个真空密封腔。玻璃管的两端连接到O形圈密封圈，以在玻璃管的外壁和反应腔内表面之间形成真空密封腔。

　　实验时，先使用真空泵将真空反应腔体内的气压抽至10Pa以下，然后再将实验气体(氩气或CH4)持续送入等离子体反应腔中，联合调节真空泵抽速和实验气体的流量，使得腔体的气体达到气压的动态平衡，然后将微波输入腔体中激发等离子体。

　　实验中，除了使用传统的朗缪尔探针对等离子体进行测量外，还使用了发射光谱对等离子体激发的光谱进行测量。光纤探头放置在如图1所示的反应腔体上的一个观察窗外，探头接收到的光通过一条光纤与光谱仪相连接，光谱仪为Avantes公司生产的AvaSpec-ULS2048型光谱仪(分辨率为0.6nm)。使用Avantes公司配备的AvaLight-CAL-Mini波长校准光源对光谱仪进行校准。

　　2发射光谱测量电子温度方法

　　本文实验采用的同轴线型等离子体是在封闭的真空腔体中产生的，针对此类微波在封闭腔体低真空状态下激发的等离子体，一般在实验过程，可以认为它符合局部热力学平衡(LTE)工作状态。微波激发等离子的临界密度大于1016(m-3)，因此大部分微波等离子体的密度均能大于维持局部热力学平衡(LTE)所需求的电子数密度[16-20]。所以发射光谱被广泛用于封闭腔体低真空状态下微波等离子体中的电子温度测量[21-27]。

　　从光谱中可以看出，ArI光谱的峰非常明显，强度很高，可以提高电子温度的测量精度。尽管Ar的光谱线很多，但这并不意味着所有谱线都适用于计算电子温度，因为某些光谱线与其他具有不同波长的光谱线的叠加非常接近，除了存在Stark加宽之外，多普勒展宽也会降低准确性。因此，计算电子温度时应该选择那些具有较小半峰全宽(FullWidthatHalfMaxima，FWHM)的谱线。表1是本文所选氩气光谱线及其相应参数。

　　使用图3中峰值和表1中的参数，代入式(8)计算指定光谱线的值。画多个点并进行线性回归，拟合线的斜率可用于计算电子温度，结果如图4所示，从中可以得出此时的电子温度为1.452eV。

　　为了充分验证通过OES计算电子温度的准确性，实验中还同时使用朗缪尔探针进行电子温度测量，Langmuir探针通过加载一个扫描电压，然后分析采样所得的V-I曲线，从而计算出电子温度。同时为了更大范围的验证OES计算电子温度的可靠性，分别改变微波功率和气压，得到不同状态的微波等离子体，然后同时使用OES和Langmuir探针对电子温度进行多次测量，使用测量所得的平均值画图，测得的最大值和最小值作为误差的上下限，结果如图5所示。

　　当微波功率增加时，电子温度不会显著变化，但是当压力增加时，电子温度显著降低。比较OES和Langmuir探针获得的电子温度，OES获得的电子温度Te，oes略高于探针获得的Te，probe。这可能是由于OES的电子温度测量结果仅反映了有助于氩气激发和电离过程的那些电子。更准确的说OES所测量的是能量高于激发和电离阈值的电子[31]。而相对的Langmuir探针所测量的是电子的平均温度。因此，Te，oes略高于正确的电子温度。但是由图5可知，Te，oes和Te，probe之间的趋势是相同的。因此，可以通过OES对不同实验情况下的电子温度进行分析。

　　3使用OES测量同轴线型CH4微波等离子的电子温度

　　使用CH4作为气源时，当气压设定在80Pa时，输入800W微波功率激发等离子体，从观察窗观察到CH4被电离，如图6所示。此同轴线型CH4微波等离子测得的发射光谱图7所示。

　　从图7可以看出Hα谱线强度较强，证明等离子体球中产生了浓度较高的H自由基，而H自由基可有效刻蚀sp2C和石墨等非金刚石相[32]，有利于高纯度金刚石样品的制备。此光谱中没有检测到CH3和CH2谱线，这可能是由于如下原因[32]。

　　从图7可以看出，CH4等离子体中存在C、C2、CH等多种含碳元素离子和分子等，如果使用朗缪尔探针，当扫描电压为负时，此类含碳分子将大量吸附在探针表面，形成一个电容电阻层，给探针测量带来大量噪声，导致无法准确测得探针的V-I曲线，如图8所示。

　　从图8可以看出，使用朗缪尔探针在高含量CH4等离子中进行扫描电压测量时，会有大量噪声干扰，无法准确绘制探针的V-I曲线，而OES为非接触式测量，不会受到此类干扰。CH4等离子体中包含的原子光谱主要为Hα，Ηβ，Ηγ等谱线，其相应参数如表2所示。

　　使用OES多次测量不同微波功率和不同气压下的CH4等离子体电子温度，使用测量所得的平均值画图，测得的最大值和最小值作为误差的上下限，结果如图9所示。

　　由图9可知当微波功率改变时，CH4等离子体中的电子温度随微波功率的上升而上升。与之相比，Ar等离子体在微波功率增加后，电子温度没有显著变化。这可能是由于微波功率影响电子温度的方式主要是通过增大等离子体的放电区域来实现的。对于Ar等离子体，较小的微波功率就能使得等离子体充满腔体。因此微波功率增加后，电子温度没有显著变化;而对于CH4等离子体，等离子体放电区域将随着微波功率的增大而逐渐增大，从而使得反应腔内的整体电子温度升高[23，33]。

　　当功率一定，气压上升时，Ar等离子体和CH4等离子体中的电子温度均显著降低。这是因为在功率一定的情况下，压力增加那么腔体中的粒子总密度将随之增加。因此，中性粒子与电子碰撞率也变高，电子能量更多向中性粒子转移，从而导致电子温度降低。与微波功率对电子温度的影响相比较，气压对电子温度的影响明显更加显著。这也与文献[23，31，33]中所描述的情况相同。

　　4结论

　　本文利用光学发射光谱法(OES)对可用于微波等离子化学气相沉积(MPCVD)的微波同轴线型等离子体进行了在线诊断。在Ar等离子体中，当微波功率增加时，电子温度不会显著变化，但是当压力增加时，电子温度显著降低。比较OES和Langmuir探针获得的电子温度，OES获得的电子温度Te，oes略高于探针获得的Te，probe。这可能是由于OES的测量结果仅反映了一部分电子的温度，特别是高能电子。但是Te，oes和Te，probe之间的趋势是相同的。因此，可以通过OES对不同实验情况下的电子温度进行分析。

　　在CH4等离子体中进行了发射光谱诊断，结果表明此CH4等离子体中存在C、C2、CH、H等分子和原子。其中，Hα谱线强度较强，证明等离子体球中产生了浓度较高的H自由基。通过Boltzmann法分析了功率以及气压对此CH4等离子体电子温度的影响。结果显示电子温度随微波功率的上升而上升，而当气压增加时，电子温度将显著的降低。——论文作者：陈驰，张朝阳，傅文杰，鲁钝，黄同兴，鄢扬

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文章名称：基于发射光谱的微波等离子化学气相沉积中的

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