ECR等離子體08

1、 電子回旋共振等離子體(Electron CyclotronResonance,ECR) l ECR等離子體源發(fā)展歷史：（1）微波電源的發(fā)展 1921： 磁控管 1939：速調(diào)管 （2）二戰(zhàn)中微波技術(shù)的迅速發(fā)展 雷達(dá) （3）微波灶的普及 1960-1970 微波電源價(jià)格大幅度下降 （4）1970年代前期：高溫核聚變等離子體微波加熱 后期：日本，捷克 低溫等離子體應(yīng)用（5）1980 集成電路芯片刻蝕加工：低氣壓高密度等離子體源競(jìng)爭(zhēng) ECR,ICP.Helicon. Hitachi, Astex.l ECR等離子體源結(jié)構(gòu):l 微波電子回旋共振加熱原理（a）微波ECR等離子體內(nèi)的有效電場(chǎng) B0 0對(duì)

2、比 B0=0特性電子回旋頻率附近，擊穿電場(chǎng)顯著降低。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：回旋運(yùn)動(dòng)角頻率ce = eB0/me =wave(b)ECRplasma 中微波傳輸及吸收的主要特性-微波ECR 等離子體為各向異性介質(zhì),沿磁場(chǎng)方向傳播的TE 波將分為右旋偏振波和左旋偏振波,色散關(guān)系為：n2R =1-(2pe/ ( - ce)n2L =1-(2pe/ ( + ce)右旋波的共振和截止條件為:ce/ =1 (共振條件: nR =) 2pe/2 =1-ce/ (截止條件: nR =0) -微波不同饋入模式的結(jié)果 低場(chǎng)饋入：圖中路徑a- 右旋波在低密度區(qū)截止（對(duì)應(yīng)的臨界密度ncrit = nc (1 - ce/)-低密

3、度高場(chǎng)輸入：圖中路徑b,沒有高密度截止-高密度運(yùn)行條件-共振區(qū)中右旋波的共振吸收功率Pabs (r,z) = Pinput(r,z) 1-exp(-) = 2pe/ c , c 為光速, =1/B0(r,z )dB (r ,z )/dz .-共振吸收功率,不僅與微波場(chǎng)分布,而且還與磁場(chǎng)位形有關(guān)。問題ECR plasma 磁梯度推動(dòng) 微波ECR等離子體源系統(tǒng)(1) 直流電源：磁控管：產(chǎn)生微波的真空器件（磁控管濺射），商用微波爐即采用磁控管。(2) 環(huán)行器匹配負(fù)載：在磁控管和變化的等離子體負(fù)載間起隔離作用，其功能像個(gè)單向閥門，只允許微波功率從磁控管輸至等離子體反射微波功率傳輸?shù)狡ヅ湄?fù)載被吸收。(3

4、)定向耦合器測(cè)量從微波源到負(fù)載的人射功率和從負(fù)載返回源的反射波功率。兩部分之差功率流之差主要被等離子體吸收，剩余部分是系統(tǒng)的損耗 (4)銷釘調(diào)配器阻抗匹配，可將反射波功率調(diào)至最小、等離子體負(fù)載吸收的人射波功率最大。 (5)模式轉(zhuǎn)換器將波模所希望的模式。矩形-圓波導(dǎo)， (6)石英窗真空密封低微波吸收。 (7)等離子體反應(yīng)腔共振、非共振型。ECR放電參數(shù)特性ECR等離子體密度隨氣壓的變化不同微波模式的等離子體密度及徑向分布共振區(qū)磁場(chǎng)梯度對(duì)離子體密度及徑向分布的影響 電磁線圈電流對(duì)共振區(qū)磁場(chǎng)位形的影響 副線圈（sub-coil）對(duì)共振區(qū)磁場(chǎng)位形的影響 ECR放電的跳變、多穩(wěn)、遲滯現(xiàn)象 不同類型的EC

5、R等離子體源 法國(guó)DECR(Distributed electron cyclotron reasonance)德國(guó)環(huán)形腔ECR等離子體德國(guó)環(huán)形腔ECR等離子體放電照片l ECR增強(qiáng)濺射沉積等離子體源 ECR沉積等離子體源防窗口污染設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)原則：窗口在沉積粒子視線死角 增加窗口/沉積室之間距離ECR等離子體特點(diǎn)(1) 微波在波導(dǎo)中以橫電波或橫磁波方式傳播,可以實(shí)現(xiàn)無(wú)內(nèi)電極放電;(2) 能量轉(zhuǎn)換效率高,95 %以上的微波能量可以轉(zhuǎn)化為等離子體量;(3) 磁場(chǎng)約束減小了等離子體與真空室壁的相互作用; (4) 近麥克斯韋型電子能量分布的高能尾部的存在提高了電離率、分子離解率及反應(yīng)粒子的活性;(5)

6、放電氣壓低,等離子體密度高;（？）(6) 平均離子能量低,高能尾翼比麥克斯韋分布短. 基片表面附近加速離子的等離子體鞘層電位降低于射頻容性耦合等離子體,而且離子能量控制與等離子體產(chǎn)生相對(duì)獨(dú)立.ECR 等離子體應(yīng)用及優(yōu)點(diǎn)正由于ECR 等離子體的上述特點(diǎn),它在應(yīng)用中具有直流和射頻放電所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn):(1) 高速率獲得純度、高化學(xué)活性物質(zhì);(2) 低能離子降低了基體表面的損傷;(3) 通過控制轟擊基片的離子能量,獲得其他方法難以得到的高能亞穩(wěn)相結(jié)構(gòu);(4) 反應(yīng)粒子活性高,在低溫甚至室溫下即可沉積薄膜,并可以實(shí)現(xiàn)晶體取向生長(zhǎng);(5) 低氣壓下的反應(yīng)離子方向性好,是亞微米刻蝕工藝的優(yōu)良源種;(6) 應(yīng)用于離子源技術(shù),延長(zhǎng)