离子化物理气相沉积反应器的空间特性研究

《Vacuum》：Spatial Characterization of an Ionized Physical Vapor Deposition Reactor

离子化物理气相沉积（IPVD）反应器中单匝铜天线作为射频电源和溅射靶的研究。通过Langmuir和发射探针分析空间等离子体特性，发现施加600高斯轴向磁场使等离子体密度从109 cm-3提升至1012 cm-3，并揭示了电容耦合（CCP）→电感耦合（ICP）→螺旋放电（Helicon）的转换机制，证实磁场增强了等离子体均匀性（均匀性指数0.87），优化了铜薄膜在浮空硅基板上的沉积工艺。

　　本研究探讨了一种基于单圈铜天线的离子化物理气相沉积（IPVD）反应器的综合空间等离子体诊断方法。该系统不仅作为射频（RF）电源，同时也作为溅射靶材，使得整个装置能够在较低的能耗下实现高效的等离子体生成和沉积过程。通过使用朗缪尔探针和发射探针，研究团队对等离子体参数进行了详细的测量和分析，特别是在轴向磁场（600高斯）作用下，等离子体密度呈现出显著的三阶量级提升，从10? cm?3增长到1012 cm?3。这一发现表明，轴向磁场在增强等离子体密度方面发挥了关键作用，同时也在改善等离子体均匀性方面展现出重要影响。

在实验过程中，研究人员通过改变RF功率和磁场强度，系统地分析了等离子体密度和电子温度的变化趋势。当RF功率增加时，等离子体密度也随之上升，但电子温度则表现出下降趋势，这是由于在高密度等离子体中，电子之间的碰撞增强，导致电子的冷却效应更为显著。在没有外部磁场的情况下，等离子体主要表现为电容耦合放电（CCP）模式，而随着磁场的引入，等离子体逐渐向电感耦合放电（ICP）和类似螺旋波（helicon-like）的放电模式过渡。这种过渡过程通过测量离子饱和电流和等离子体电势振荡的时空特性得以体现。特别是在磁场强度达到600高斯时，等离子体电势的振荡被有效抑制，这进一步证明了磁场对等离子体行为的调控能力。

研究还发现，等离子体的均匀性在提升铜薄膜沉积质量方面起到了至关重要的作用。在IPVD系统中，当使用浮动硅基板时，磁场的存在显著增强了等离子体的均匀分布，从而使得沉积过程更加稳定。这一现象与磁场对带电粒子的约束作用密切相关，能够有效减少等离子体与反应腔壁之间的相互作用，降低粒子损失，提高沉积效率。此外，等离子体的均匀性也直接影响了沉积薄膜的微观结构和表面特性，特别是在高纵横比的沟槽结构中，磁场的引入使得沉积物能够更均匀地覆盖基板的底部和侧壁，从而提高了薄膜的附着力和均匀性。

在空间分布方面，研究团队利用二维（2D）测量技术，对离子饱和电流和等离子体电势的分布进行了分析。结果显示，在没有磁场的情况下，等离子体电势在靠近天线的位置表现出较强的振荡，而在远离天线的下游区域则相对稳定。随着磁场的引入，电势振荡被显著抑制，尤其是在下游区域，由于等离子体密度的增加，电势波动变得更为平缓。这一变化表明，磁场不仅提高了等离子体密度，还增强了等离子体的稳定性，使得整个反应腔内的电势分布更加均匀。

进一步的实验表明，当RF功率提升至300瓦以上时，等离子体密度趋于饱和，这说明此时等离子体的离子化和损失机制已经达到了平衡状态。在更高的RF功率下，虽然等离子体密度不会继续显著增长，但电子温度的变化则变得更为复杂。在某些情况下，随着等离子体密度的增加，电子温度会先下降后趋于稳定，这与等离子体中电子的碰撞频率增加有关。同时，磁场的引入使得在较低的RF功率下就能获得较高的等离子体密度，从而提高了系统的能量利用效率。

在铜薄膜沉积方面，研究团队通过接触轮廓测量法，对不同位置基板上的薄膜厚度进行了分析。结果显示，在磁场作用下，铜薄膜的沉积厚度在靠近天线的位置达到最大值，随后在远离天线的区域有所下降，但在下游区域又有所回升。这种变化趋势与等离子体密度的空间分布密切相关，表明在等离子体密度较高的区域，沉积速率也相应提高。此外，磁场的引入不仅提升了沉积速率，还改善了薄膜的均匀性，使其在基板上的覆盖更加全面。

与其他沉积技术相比，本研究的IPVD系统在多个方面展现出优势。例如，在HiPIMS（高功率脉冲磁控溅射）技术中，虽然能够获得更高的等离子体密度和沉积速率，但其所需的RF功率通常较高（800–1000瓦），且等离子体均匀性相对较低（U ≈ 0.75）。相比之下，IPVD系统在较低的功率（200瓦）下就能实现接近HiPIMS水平的等离子体密度（约1012 cm?3），并且在等离子体均匀性方面表现更优（U = 0.87）。这种优化使得IPVD系统在低损伤铜互连和高精度薄膜沉积领域具有广阔的应用前景。

本研究还提出了一种新的等离子体均匀性指数（U），用于量化等离子体在轴向和径向方向上的均匀性。该指数基于等离子体密度的标准差和平均值计算，能够更准确地反映等离子体的空间分布特性。在没有磁场的情况下，U值较低，表明等离子体的分布较为不均匀。而在引入磁场后，U值显著提高，表明磁场有效增强了等离子体的均匀性，这与磁场对带电粒子的约束作用密切相关。

此外，研究团队还对等离子体电势的振荡行为进行了深入分析。在没有磁场的情况下，等离子体电势在靠近天线的位置表现出明显的振荡，而在下游区域则趋于稳定。当磁场被引入后，电势振荡被有效抑制，特别是在高密度等离子体区域，这种抑制作用更加显著。这表明磁场能够显著改善等离子体的稳定性，从而减少电势波动对沉积过程的干扰。

总的来说，本研究为IPVD系统的优化提供了重要的实验依据。通过系统的等离子体诊断，研究团队不仅揭示了等离子体密度、电子温度和电势的分布特性，还探讨了磁场和RF功率对这些参数的影响。这些发现对于提高沉积薄膜的质量、均匀性和附着力具有重要意义。同时，研究团队提出的新等离子体均匀性指数也为未来等离子体沉积技术的优化提供了新的量化工具。

未来的研究方向包括进一步优化磁场配置和RF功率调控策略，以实现更均匀的等离子体分布和更精确的离子能量控制。此外，研究团队还计划引入原位诊断技术，结合扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和拉曼光谱等先进分析手段，深入研究等离子体行为与薄膜微观结构之间的关系。通过这些手段，可以更全面地理解等离子体在沉积过程中的作用机制，并为未来的薄膜沉积技术提供理论支持和实验指导。