電子回旋波共振(ECWR)技術是利用電磁波與電學各向異性材料(如帶有外加靜磁場的低壓等離子體)的相互作用來實現的，該技術可在低壓力下產生高密度等離子體，廣泛用于微電子刻蝕、薄膜材料沉積等加工過程。等離子體的參數對刻蝕速率、表面成膜質量有著至關重要的影響，因此進行等離子體參數的測量研究能夠促進電子回旋波共振技術的發展與應用。本文設計了朗繆爾探針檢測裝置，使用OES 光譜檢測儀對ECWR 設備放電時的等離子體參數進行檢測，并對檢測結果進行了分析。結果表明，當直流電流強度為4.1A 時，系統內部發生了電子回旋共振效應。

　　電子回旋波共振作為一種新發展起來的技術，可以高效激發等離子體，可以用來改造傳統的濺射工藝。該技術是在反應室內部不包含任何激發電極的情況下，產生低壓高密度等離子體，并能夠平滑的改變所產生的等離子體的參數。國外研究人員現已應用這種技術制備多種半導體薄膜，但國內關于此方面的研究和設計卻很少，本課題組已在文獻中對ECWR 設備進行了搭建研究。利用該技術進行刻蝕或者鍍膜時，等離子體的參數對產品性能起著至關重要的影響。因此，真空技術網(http://smsksx.com/)認為對等離子體的診斷具有重要的意義。本文設計了朗繆爾探針檢測裝置并使用OES 光譜檢測儀對ECWR 設備放電時的等離子體參數進行檢測，并對檢測結果進行了分析。

1、ECWR 系統的介紹

　　圖1 給出了ECWR 鍍膜機主體部分的三維圖，該鍍膜機的真空室直徑為254mm、高為680mm，底部通過快接法蘭與真空抽氣系統相連接，工作時主真空室的本底真空度保持在0.1Pa 左右。該鍍膜機的電子回旋波共振系統主要由射頻單元、等離子體腔、亥姆霍茲線圈和一個離子引出系統組成。射頻發生器的頻率一般是13.56 或27.12 MHz，射頻能量通過一個單匝線圈電感耦合到等離子體中。ECWR 等離子體屬于低溫高密度等離子體，其結構簡單，而等離子體密度卻可以達到很高，純Ar氣體中放電，等離子體密度可達10¹²cm^-1。ECWR 鍍膜機的詳細原理及設計參數可參考文獻。

圖1 ECWR 鍍膜機

2、ECWR 設備的等離子體診斷

　　2.1、朗繆爾探針檢測

　　朗繆爾探針法又稱靜電探針法，是一種比較傳統的診斷方法，也是目前應用最廣泛，裝置最簡單的診斷方法。朗繆爾探針診斷方法一般用于對大范圍、均勻分布等離子體的參數進行診斷。此方法是利用在等離子體中插入一個導電探針，由雙極性的掃描電源給探針提供所需范圍內的電壓，測量并記錄加在探針兩端的電壓及流過探針的電流，繪制成I-V 特性曲線，再對I-V 曲線進行處理，計算出被測等離子體的各個參數。

　　探針是朗繆爾探針系統的重要組成部分，本文實驗中采用單探針結構，掃描電源輸出波形為三角形波，電壓范圍為±100V。放電時，將掃描電壓加在探針上，通過數據采集卡采集施加的電壓以及流過探針的電流。

　　圖2 為探針驅動裝置，該驅動裝置由驅動器(如HYQD40 型驅動器)、兩相混合式步進電機(如42BYGH39 1.8 度型步進電機)、步進電機控制器、100μF160V 電解電容、電感應限位開關、輸出為24V 的直流開關電源、SFU01204-4 型滾珠絲杠副、滑塊等組成。步進電機通過剛性聯軸器與滾珠絲杠相連，滑塊固定在螺套上，通過兩個光軸限制滑塊的自由度，使其只能沿絲杠軸線方向運動。在其滑槽里裝有限位開關，通過電感應限位開關對探針的運動范圍進行控制。探針與真空室之間通過真空細牙波紋管連接，實現密封目的，同時能夠滿足探針在軸線方向上的運動。

圖2 朗繆爾探針驅動裝置

　　該驅動通過電腦端上位機發出指令，經步進電機控制器、步進電機驅動器對步進電機進行控制運行，該上位機操作界面由VB 編寫。當步進電機轉動時，轉動經由剛性聯軸器傳至滾珠絲杠軸，進而由螺套將旋轉運動轉化為沿光軸的直線運動，帶動朗繆爾探針沿軸向運動，改變朗繆爾探針的測量位置，實現多點測量。課題組王慶等利用朗繆爾探針測得的I-V特性曲線如圖3 所示，懸浮電位為-18.83V，等離子體密度隨著射頻電源功率的增加而增加，等離子體密度隨著壓力的增加而減少，電子溫度隨著折射功率的增加而減少，電子溫度隨著壓力的增加而減小。

　　2.2、OES 光譜檢測

　　本文利用發射光譜法(EPP2000型微型光纖光譜儀，美國萊特太平洋公司)測定ECWR 等離子體中存在的分子、原子的激發和電離狀態。本實驗等離子體的發射光通過真空室的石英窗口由光纖探頭和傳導光纖傳入光譜儀并轉變為電信號，再通過USB 接口傳入計算機由軟件顯示出等離子體的發射光譜圖，測量過程如圖4 所示。

圖3 朗繆爾探針I-V 特性曲線

圖4 光譜檢測過程

　　本文利用Ar放電光譜研究ECWR射頻系統產生的等離子體的性能，實驗中測量了激發態的Ar 原子和Ar+ 離子的發光強度，用其光譜相對強度估量等離子體放電性能。Ar 的發光強度主要取決于基態Ar 原子密度和其激發能以及等離子體中電子溫度和電子密度。為了解氣體壓力對等離子體放電性能的影響，實驗時，向真空室中輸入Ar，并使磁場線圈電流維持穩定，逐漸改變真空室內氣體壓力，進而測試等離子體相對強度，測試結果如圖5 所示。根據測試結果可知，氣體壓力變大，等離子體密度增大，光譜強度變強是一個普遍現象，真空技術網(http://smsksx.com/)認為無法依據該結果判斷系統內部是否發生電子回旋共振效應。

　　為了解外加勻強磁場對等離子體放電性能的影響，實驗時，向真空室中輸入Ar，并使真空室氣壓維持穩定，通過改變直流電流大小改變等離子體區的磁場強度，進而測試等離子體相對強度。本文利用光譜測量系統測量在此條件下的發射光譜(200-1200 nm)用于表征等離子體相對強度，工藝參數如表1 所示。

　　圖6 顯示了1 號工藝參數的OES光譜，由該圖分析發現主要的譜線包括位置在738.04、867.48、913.85、966.93 和979.32nm 的Ar 離子譜線和位置在696.54、706.72、727.29、751.04、763.51、772.42、794.82、801.48、811.53、826.45、842.46、852.14和922.45nm 的Ar 原子譜線，其余不同工藝參數條件下的OES光譜與該圖相似，只是強度略有不同。不同直流電流條件下Ar 等離子體光譜相對強度如圖7 所示。

圖5 不同壓力條件下氬等離子體發光強度圖

圖6 氬等離子體發光圖譜

表1 不同直流電流下進行OES 檢測的參數

圖7 不同直流電流條件下氬等離子體發光強度圖

表2 補充直流電流參數進行OES 檢測

　　從圖7 中可以看出，隨著電流的增大，光譜強度也逐漸增大，這可能是由于磁場的束縛作用引起的電子更加強烈的碰撞，但是這并不能說明ECWR 射頻濺射系統內部發生了電子回旋共振效應。為此，本文在此基礎上添加了4 組實驗，試驗參數如表2 所示，測試結果如圖8 所示。

圖8 不同直流電流條件下氬等離子體發光強度圖

　　10-13 號工藝參數下的OES 光譜與圖6 相似，但相對強度略有不同，其氬等離子體光譜相對強度如圖8 所示。從圖8 中可以看出，當直流電流強度為4.1A 時，光譜相對強度之和最大，且在輝光放電的視覺上有突然增亮的效果，說明ECWR 射頻濺射系統出現了電子回旋共振效應。

3、結語

　　本文針對課題組前期搭建的ECWR 鍍膜機設計了朗繆爾探針檢測裝置，使用OES 光譜檢測儀對放電時的等離子體參數進行了檢測，并對檢測結果進行了分析。結果表明，當直流電流強度為4.1A 時，系統內部發生了電子回旋共振效應。