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来源:合肥工业大学机械与汽车工程学院真空科学技术与装备研 编辑:陈长琦
本文介绍了磁场辅助PECVD 工作原理，磁场对沉积薄膜的影响。通过对PECVD 中磁场对带电粒子的约束作用、等离子体能量转换频率分析，建立辅助磁场模型并进行数值计算。在现有辅助磁场基础上改进设计适用于PECVD 设备的螺线管磁场系统，得到不同物理条件下磁场分布规律。进而确定螺线管结构参数得到均匀分布的磁场，为辅助PECVD 磁场的应用提供了一种方法。
等离子体增强化学气相沉积作为一种传统的制膜技术，兼备了化学气相沉积和等离子体高活化能、低反应温度的优点。但在制备光、电薄膜方面,PECVD 技术还存在着一些亟待解决的问题，如得到的薄膜电阻率较高，阻值分布不均，表面晶粒尺寸较大，粒子间间隙大，这些问题严重影响了薄膜的性能。目前，在主要研究了沉积温度、电源功率、气体流量等参数对薄膜的影响之后，又研究了磁场对等离子体的约束及在薄膜沉积中的作用，实验结果表明磁场辅助PECVD 沉积薄膜，对薄膜的均匀性，沉积速率以及电学性能都有显著的提高。
文章描述了磁场在PECVD 中制备薄膜的作用，分析等离子体在正交电磁场中的运动特性。根据螺线管磁场特点，建立辅助磁场模型并进行数值计算，对PECVD 辅助磁场系统进行改进，得到均匀磁场，并对产生磁场分布作了进一步模拟分析。
1、PECVD工作原理
等离子体的产生方法有很多种，比如二级直流辉光放电，射频辉光放电，微波激发等离子体等。本文所研究的是电容耦合射频PECVD，其原理为在低气压下，反应气体受到射频电源的激发，产生电离并形成由带电的电子和离子组成的等离子体，反应腔体中的气体在电子的撞击下，除了转变成离子外，还吸收能量并形成大量的活性基团；这些活性基团和等离子体，电势高于反应腔体中接地电极电势，将被沉积在接地电极上的基片表面，形成功能薄膜。沉积不同的薄膜需要不同的反应气体，产生的等离子体成分也有很大差别。
2、辅助PECVD 磁场模拟计算与分析
2.1 磁场辅助PECVD 原理
文献报道了磁场对等离子体影响的实验结果。实验中发现磁场能在一定程度上影响等离子体中粒子之间的碰撞过程，以及影响带电粒子的运动和空间位置。沿磁感应强度矢量方向的等离子体特性，与非磁化等离子体的特性相同，因此施加与电场方向平行的磁场几乎不起作用，曾有人设计实验装置施加了与电场方向垂直即与电极板平行的匀强磁场，如图1 所示。
磁场辅助PECVD 系统结构示意图
图1 磁场辅助PECVD 系统结构示意图
该装置为磁场辅助等离子体增强化学气相沉积系统， 射频源为SY500W 射频功率源和SP- II 型功率匹配器, 等离子体的激发频率为13.56 MHz。上下极板的面积均为: 300 mm×150 mm,两电极板之间的距离为25 mm。为了获得较低压强使用了一台分子泵和一台旋片泵组成的真空系统。圆筒型反应室内部为容性平板电极，产生垂直于极板的交变电场，外部缠绕螺旋线圈产生与平板平行即与电场垂直的磁场。正交电磁场如图2 所示。
正交电磁场中的磁化等离子体
图2 正交电磁场中的磁化等离子体
在图2 正交电磁场中，带电粒子做拉莫尔运动（ Larmor movement）。由于电子荷质比e/m=－1.75881962×1011 库仑/ 千克，比单价氢离子的荷质比约大2000 倍，因此电子在两电极间做整体振荡，而离子由于质量很大振幅很小，所以没有激烈的振荡，相对电子的振荡，可以认为离子基本不动。在磁场的约束下，电子在电极板间的往复运动，变为螺旋回转运动，行程大大增加从而增大了与中性粒子的碰撞频率，增大了等离子体密度。即活性粒子密度增大，同时增强了等离子体的化学活性，从而增强等离子体中反应物质的化学反应。因为具有一定能量的离子密度的增加，增强了附着原子在表面的迁移能力，从而产生表面缺陷并改变表面化学性质，促进表面的化学反应和扩散，同时通过产生晶体的缺陷、吸附“激活”的物质、注入高能的轰击物质、产生电子放电位置和表面粒子的反射注入等方式来促进形核点的增加，这样就导致了薄膜沉积速率增大。另外电子的回旋震荡运动增大与中性气体的碰撞几率，所以在较低的气压下也能使气体产生辉光放电，得到等离子体。
3、结论
磁场辅助PECVD 中磁场的产生可以利用螺线管产生辅助磁场，均匀缠绕和简单的在两端增加缠绕均不能得到均匀磁场，利用锥形的增加缠绕方式，得到了很好的效果。
运用ansoft 软件对磁场进行了模拟计算，获得了不同物理条件下的磁场分布规律，为磁场在等离子体化学气相沉积中的应用提供了理论依据。
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