马志斌 沈武林 吴俊 严垒 汪建华

(武汉工程大学材料科学与工程学院，湖北省等离子体化学与新材料重点实验室，武汉 430073)

(2012年4月23日收到;2012年7月31日收到修改稿)

1 引言

利用磁镜场电子回旋共振(ECR)等离子体源中的离子在强磁场区域的回旋运动来实现化学气相沉积金刚石膜的抛光，相对于现有的离子束抛光技术，该方法具有抛光面积大、处理均匀等优点[1-3].在普通的ECR等离子体装置中，离子温度较低，在通过纵向加速电极进入强磁场区时，其回旋特征很弱，很难实现对金刚石膜的选择性刻蚀.通过磁电加热能够提高ECR等离子体中的离子能量.在利用梯度磁场对等离子体中的离子进行运动方向的调节时，较高的离子能量有利于将更多平行于磁场方向的能量转移到垂直于磁场方向去，从而得到具有较强回旋特性的离子束.

磁电加热是带电粒子在交叉的磁电场中通过E×B漂移获得能量的一种加热方式[4-6].该加热方式用于ECR等离子体中，一方面可以有效提高离子能量，另一方面可以对等离子体起到约束作用.在前期的研究中[7]，将圆环电极作为加热电极，讨论了圆环电极偏压、磁场强度、气压等因素对磁电加热过程以及加热效率的影响.由于环电极加上阳极偏压后所产生的径向电场对等离子体的约束有限，部分离子在向轴向下游的输运过程中，很容易碰撞腔壁而损失，这对于微波ECR等离子体的应用是不利的.在本实验中，将圆环电极改进为圆筒电极，对比了圆筒加热和圆环加热的区别，分析了采用圆筒电极加热等离子体时所具有的优点.

2 实验装置

实验研究在自行研制的微波ECR等离子体装置上完成，其结构如图1所示.图中频率为2.45 GHz的微波由矩形波导传输，经天线耦合到圆波导，并通过石英窗口馈入到真空室内.磁场系统由四组沿轴向可调的线圈和三台直流电源组成，真空室内的磁场强度由高斯计(LakeShore 410)测量.图2为本实验中所采用的磁镜场位形，其中石英窗口位于Z=0处.真空室的内径为10 cm.在真空室的侧壁上设置了多个可以用于安放探针或环电极的窗口，在本实验中，用于固定圆筒电极的窗口的轴向位置分别位于15.3 cm和18 cm，圆筒末端位于Z=20 cm附近，探针位于Z=21 cm.在实验过程中，使用的圆筒内径为8 cm，外径为8.3 cm，长度为12 cm.利用圆环电极加热时，轴向位置为Z=19.8 cm，其内径为8 cm，外径为8.2 cm，宽度为0.3 cm.真空系统由机械泵和400 L/S的涡轮分子泵组成.在实验中所使用的工作气体为氧气，经过质量流量控制器和进气孔导入真空室.

图1 ECR等离子体装置示意图

加热系统由加热电极和直流电源组成，图3为加热系统与等离子体参数测量系统示意图.图中直流电源为加热电极提供阳极偏压，最大输出电压为1000 V，最大输出功率为1000 W;型号为PAMM2/100G的静电探针自动测量系统为探针测量提供扫描电压，该系统由程控电源、电阻器、A/D转换器、数据放大器和存储器组成，电源扫描电压的范围为-100—100 V.

图2 磁场位形

在实验中，采用离子灵敏探针(ISP)测量ECR等离子体的离子温度和密度[8-10].ISP由两个同轴电极组成，外电极是屏蔽极，内电极是离子收集极.本实验中所使用的ISP收集极为φ0.8 mm的钨丝，屏蔽电极为内径为1.5 mm的中空不锈钢管，屏蔽高度h可根据等离子体参数的变化自由调节.该探针沿腔体径向的深度可以调节，最大调节范围为4 cm.

3 结果分析与讨论

3.1 电极结构对离子加热的影响

在微波功率为800 W，气压为0.02 Pa，氧气流量为2.8 sccm(1 sccm=1 mL/min)的条件下，将ISP设置在Z=21 cm的轴心处测量了离子温度，研究了圆筒和圆环电极加热时离子温度随阳极偏压的变化，结果如图4所示.从图中可以看到，采用圆筒或圆环电极加热时离子温度均随阳极偏压的增大而增大.不同的是，当阳极偏压从0 V增加到100 V时，采用圆筒加热时的离子温度从3.01 eV增加到9.52 eV，而采用圆环电极加热时，离子温度从2.71 eV增加到5.82 eV，即采用圆筒电极加热时，离子温度随阳极偏压的变化幅度更大.以上结果表明，在同一阳极偏压下，采用圆筒电极比采用圆环电极更有利于提高离子温度.

图3 加热系统与离子探针测量系统示意图

图4 圆筒和环加热时离子温度随阳极偏压的变化

图5 圆筒电极加热模型

导致以上差别的原因在于圆筒电极具有更长的阳极鞘层区.根据磁电加热的原理，离子是在阳极鞘层中通过E×B漂移获得能量.阳极鞘层位于加热电极与等离子体之间，其厚度由离子德拜长度决定，其长度则与加热电极的尺寸有关.圆筒电极加热的模型如图5所示，图中离子在磁镜场中沿磁力线回旋运动到阳极鞘层中被交叉的电磁场加热.将圆筒作为加热电极，大大提高了阳极鞘层区的长度，这一方面延长了离子在阳极鞘层中的加热时间，另一方面也可以使更多的离子在向下游的输运过程中运动到阳极鞘层中被加热.因此在同一阳极偏压下，圆筒电极加热时的离子温度更高.

图6 加热电源的VH-IH图

另外，圆筒电极也有利于磁电加热功率耦合到等离子体中，更有利于整体提高等离子体中离子的温度.在实验中对比了圆筒和圆环电极加热时，加热电流与电压的关系，结果如图6所示.从图中可知，在同一阳极偏压下，圆筒电极的加热电流明显大于圆环电极的加热电流.这表明采用圆筒电极加热时，其加热功率更有利于耦合到等离子体中，即单位时间内输入等离子体中的能量较大，从而使离子温度较大.

3.2 圆筒电极对离子温度径向分布的影响

在相同的实验条件下，研究了圆筒电极对离子温度径向分布的影响，结果如图7所示.图7中ISP测量的轴向位置分别为Z=17 cm和Z=21 cm，其中Z=17 cm位于圆筒中部，Z=21 cm位于圆筒下游.从图中可知，加热前(VH=0 V)，两个轴向位置的离子温度相差不大，且径向分布都比较均匀.加热后(VH=100 V)，圆筒中部(Z=17 cm)各径向位置的离子温度上升幅度较大，R=0 cm处的离子温度从3.3 eV上升到9.85 eV，R=4 cm处的离子温度从3.25 eV上升到19.68 eV，其中靠近圆筒电极附近的离子温度其增加幅度比较明显.同时，圆筒下游(Z=21 cm)各径向位置的离子温度在加热后也得到提高，且离子温度的径向分布比较均匀.以上结果表明，圆筒电极对腔体内离子温度的径向分布具有较大的影响，其中圆筒电极中部的离子温度径向差异较大，靠近加热电极附近的离子温度几乎是轴心处的两倍，而圆筒电极下游的离子温度径向分布则比较均匀.

图7 圆筒电极加热时离子温度的径向分布

圆筒电极对离子温度径向分布的影响主要与离子的加热过程有关.根据前期的研究结果[7]，离子的整体加热是通过离子在阳极鞘层中的磁电加热及被加热的离子沿径向的输运来完成的.阳极鞘层主要存在于加热电极附近，因此，在圆筒电极内，靠近电极附近的离子温度较大.而在圆筒电极下游离子温度的提高主要是离子在上游的阳极鞘层中得到加热后输运到下游的结果.在向轴向下游输运过程中离子之间的碰撞，逐渐使径向温度差减小，从而使离子温度的径向分布比较均匀.

在相同的实验条件下，将圆环电极置于Z=19.8 cm，ISP置于Z=21 cm，对比了圆筒和圆环电极加热后离子温度的径向分布，结果如图8所示.从图中可知，采用圆筒电极加热时各径向位置的离子温度相对于圆环电极加热时增加的幅度更大，且离子温度的径向分布也更均匀.相同偏压下，圆筒与圆环电极对离子温度径向分布的影响不同，是因为圆筒电极加上阳极偏压后产生的鞘层区域较长，鞘层中径向向里的电场在加热离子的同时，还能对离子起到约束作用，减少部分低温离子因碰撞腔壁而造成的损失.在磁镜场条件下，低温离子容易受磁镜的作用在磁镜场中做往返回旋运动.这些离子在往返回旋运动的过程中，均可以在阳极鞘层中得到加热，从而使各径向位置的离子温度提高.而圆环电极加热时，其阳极鞘层区域很小，只能对局部的离子加热，导致圆环电极加热后各径向位置的离子温度偏低.

图8 加热后离子温度的径向分布

3.3 圆筒电极对离子密度径向分布的影响

图9为分别采用圆筒和圆环电极加热后，Z=21 cm处离子密度的径向分布.首先，从各径向位置离子密度的变化趋势来看，当圆筒上加上100 V的阳极偏压后，各径向位置的离子密度均有所提高，其中R=0 cm处的离子密度从19.13×1016m-3增大到20.11×1016m-3，R=4 cm处的离子密度从4.36×1016m-3增大到6.24×1016m-3.当圆环上加上100 V的阳极偏压后，R=0 cm处的离子密度从15.16×1016m-3增大到15.54×1016m-3，R=4 cm处的离子密度从2.64×1016m-3增大到3.21×1016m-3.以上结果表明，圆筒电极加热时离子密度增大的幅度略大于圆环电极加热.然而从加热后离子密度的整体变化趋势来看，其相对于离子温度变化并不十分明显.这是因为磁电加热过程中，离子在交叉场中获得的漂移速度与带电粒子的质量无关.由于电子的质量远小于离子质量，在获得相同漂移速度的情况下，电子获得的能量也远小于离子获得的能量.由于等离子体主要靠电子与中性粒子的碰撞离化产生，而电子温度在磁电加热过程中的变化相对较小，所以离子密度在磁电加热后变化幅度不大.

图9 圆筒电极后离子密度的径向分布

同时，从图9中还可知，当阳极偏压为100 V时，采用圆筒电极加热时的各径向位置的离子密度大于采用圆环加热时的离子密度.这主要是因为在ECR等离子体腔室内加入圆筒电极后，圆筒上会聚集大量的电子，并形成等离子体鞘层，该鞘层产生的径向电场对等离子体具有约束作用，使等离子体更为集中，离子在向轴向下游的输运过程中因碰撞腔壁损失的离子减少，导致圆筒电极下游的离子密度提高.因此采用圆筒电极加热时，有利于离子向轴向下游的输运.

4 结论

本文通过对比圆筒和圆环电极对离子温度和密度的影响，分析了采用圆筒电极加热离子所具有的优势.结果表明：在同一阳极偏压下，圆筒比圆环电极更有利于提高离子温度;圆筒电极加热时各径向位置的离子温度升高的幅度较大，且圆筒内离子温度的径向分布不均匀，而圆筒下游的离子温度径向分布比较均匀;圆筒电极加热时离子密度增大的幅度略大于圆环电极加热，但离子密度在磁电加热过程中整体的变化幅度很小;采用圆筒电极加热时，有利于离子向轴向下游的输运，改善了离子的轴向均匀性.

[1］Tan B S，Ma Z B，Shen W L，Wu Z H 2010High Power Laser and Particle Beams22 1887(in Chinese)[谭必松，马志斌，沈武林，吴振辉2010强激光与粒子束22 1887］

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