ECR等离子体08

电子回旋共振等离子体(ElectronCyclotronResonance,ECR)ECR等离子体源发展历史：（1）微波电源的发展1921：磁控管1939：速调管（2）二战中微波技术的迅速发展雷达（3）微波灶的普及1960-1970微波电源价格大幅度下降（4）1970年代前期：高温核聚变等离子体微波加热后期：日本，捷克低温等离子体应用（5）1980集成电路芯片刻蚀加工：低气压高密度等离子体源竞争ECR,ICP.Helicon.Hitachi,Astex.ECR等离子体源结构:微波电子回旋共振加热原理（a）微波ECR等离子体内的有效电场B002222222112~ccccceffvvvEE[对比]B0=022222~cceffvvEE特性电子回旋频率附近，击穿电场显著降低。实验结果：回旋运动角频率ωce=eB0/me=ωwave(b)ECRplasma中微波传输及吸收的主要特性---微波ECR等离子体为各向异性介质,沿磁场方向传播的TE波将分为右旋偏振波和左旋偏振波,色散关系为：n2R=1-(ω2pe/(ω-ωce)ω)n2L=1-(ω2pe/(ω+ωce)ω)右旋波的共振和截止条件为:ωce/ω=1(共振条件:nR=∞)ω2pe/ω2=1-ωce/ω(截止条件:nR=0)12aba衰减区R共振R截止ωce/ωω2ce/ω21----微波不同馈入模式的结果低场馈入：图中路径a-----右旋波在低密度区截止（对应的临界密度ncrit=nc(1-ωce/ω)-----低密度高场输入：图中路径b,没有高密度截止------高密度运行条件截止区共振区BZ截止区共振区BZ-------共振区中右旋波的共振吸收功率Pabs(r,z)=Pinput(r,z)[1-exp(-πη)]η=ω2pe/ωcα,c为光速,α=1/B0(r,z)dB(r,z)/dz.------〉共振吸收功率,不仅与微波场分布,而且还与磁场位形有关。[问题]ECRplasma磁梯度推动●微波ECR等离子体源系统(1)直流电源：磁控管：产生微波的真空器件（磁控管溅射），商用微波炉即采用磁控管。(2)环行器／匹配负载：在磁控管和变化的等离子体负载间起隔离作用，其功能像—个单向阀门，只允许微波功率从磁控管输至等离子体．反射微波功率传输到匹配负载被吸收。(3)定向耦合器测量从微波源到负载的人射功率和从负载返回源的反射波功率。两部分之差功率流之差主要被等离子体吸收，剩余部分是系统的损耗．(4)销钉调配器阻抗匹配，可将反射波功率调至最小、等离子体负载吸收的人射波功率最大。(5)模式转换器将波模所希望的模式。矩形10TE---〉圆波导11TE，0110,TMTE(6)石英窗真空密封低微波吸收。(7)等离子体反应腔共振、非共振型。ECR放电参数特性⊙ECR等离子体密度随气压的变化⊙不同微波模式的等离子体密度及径向分布TE○11TE○01TM○01ner⊙共振区磁场梯度对离子体密度及径向分布的影响nerrdBdzrdBdzner电磁线圈电流对共振区磁场位形的影响rN170A200A240A280A副线圈（sub-coil）对共振区磁场位形的影响rN副线圈zBIsub=0Isub0Isub=0Isub0Bc副线圈优点：提高等离子密度和径向均匀性缺点：线圈大，电流大（水冷），结构复杂。⊙ECR放电的跳变、多稳、迟滞现象⊙不同类型的ECR等离子体源线圈磁场钟罩石英腔线圈磁场石英窗口DECR谐振腔型密执安disk源增长型源喇叭天线源大体积永久磁钢狭缝天线源法国DECR(Distributedelectroncyclotronreasonance)德国环形腔ECR等离子体德国环形腔ECR等离子体放电照片ECR增强溅射沉积等离子体源圆柱靶EXB(线圈磁场)平面/圆柱对靶EXB(线圈磁场)密执安disk源磁控管溅射、ECR同一磁场无线圈磁场狭缝天线源磁控管溅射、ECR不同磁场无线圈磁场ECR沉积等离子体源防窗口污染设计设计原则：窗口在沉积粒子视线死角增加窗口/沉积室之间距离ECR等离子体特点(1)微波在波导中以横电波或横磁波方式传播,可以实现无内电极放电;(2)能量转换效率高,95%以上的微波能量可以转化为等离子体量;(3)磁场约束减小了等离子体与真空室壁的相互作用;(4)近麦克斯韦型电子能量分布的高能尾部的存在提高了电离率、分子离解率及反应粒子的活性;(5)放电气压低,等离子体密度高;（？）(6)平均离子能量低,高能尾翼比麦克斯韦分布短.基片表面附近加速离子的等离子体鞘层电位降低于射频容性耦合等离子体,而且离子能量控制与等离子体产生相对独立.ECR等离子体应用及优点正由于ECR等离子体的上述特点,它在应用中具有直流和射频放电所无法比拟的优点:(1)高速率获得纯度、高化学活性物质;(2)低能离子降低了基体表面的损伤;(3)通过控制轰击基片的离子能量,获得其他方法难以得到的高能亚稳相结构;(4)反应粒子活性高,在低温甚至室温下即可沉积薄膜,并可以实现晶体取向生长;(5)低气压下的反应离子方向性好,是亚微米刻蚀工艺的优良源种;(6)应用于离子源技术,延长了源运行寿命,能稳定提供各类活性离子,可以实现宽束强流输出,并且可以获得多电荷态和负离子.ECR等离子体缺点：放电需要磁场，成本高，结构相对复杂。等离子体放电控制技术难度高。非讲授内容