ECR等離子體DOC

1、電子回旋共振等離子體(Electro n Cyclotro nRes onan ce,ECR)EC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（3）微波灶的普及 1960-1970微波電源價格大幅度下降（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爭ECR,ICP.Helic on.Hitachi, Astex.9dMim ti咖 alinihn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2 y-+ coVc2Vc

2、對比Eeff特性電子回旋頻率附近，擊穿電場顯著降低實驗結(jié)果:0 IO0 20磁H*T)Q JOA=l 斗Ej g 車瑤詢P Torr斗 Torr回旋運動角頻率3 ce = eBo/me = CO 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：2 2n R =1-( 3 pe/ (3 ce) 3 )+3 ce) 3 )22n L =1-( 3 pe/ (右旋波的共振和截止條件為3 ce/ 3 = 1共振條件：n r = *)3 pe/ 3=1 - 3 ce/3(截止條件：nR = 0)

3、2-微波不同饋入模式的結(jié)果低場饋入：圖中路徑a-右旋波在低密度區(qū)截止(對應(yīng)的臨界密度 ncrit = n c (1-3 ce/ 3 )-低密度高場輸入：圖中路徑b,沒有高密度截止-高密度運行條件BZ(rw共振區(qū)截止區(qū)Z共振區(qū)中右旋波的共振吸收功率Pabs ( r,z ) = P input (r,z ) 1-exp(-n n )dBn = 3 pelgo c a , c 為光速,a = 1/ Bo(r,z )(r ,z )/dz .-共振吸收功率，不僅與微波場分布，而且還與磁場位形有關(guān)ao0204問題ECR plasma磁梯度推動微波ECR等離子體源系統(tǒng)直流電源：磁控管：產(chǎn)生微波的真空器件(磁

4、控管濺射)，商用微波爐即采用磁控 管。(2) 環(huán)行器/匹配負載：在磁控管和變化的等離子體負載間起隔離作用，其功能像一個單向閥 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?配負載被吸收。(3) 定向耦合器測量從微波源到負載的人射功率和從負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TEio-圓波導(dǎo)TE11，TEe,TMoi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1模式轉(zhuǎn)檢誌1 常釘調(diào)配囂

5、石英窗1 f體ECR放電參數(shù)特性O(shè) EC等離子體密度隨氣壓的變化w, HD11 an1)(d A * .(c) OiysmU.bGdsrteKwie 世(Pa)A (eV)O不同微波模式的等離子體密度及徑向分布。共振區(qū)磁場梯度對離子體密度及徑向分布的影響ezdDBzdDB電磁線圈電流對共振區(qū)磁場位形的影響mM3皿170A200A240A280A副線圈(sub-coil )對共振區(qū)磁場位形的影響zr副線圈優(yōu)點：提高等離子密度和徑向均勻性 缺點：線圈大，電流大(水冷)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。JiinavaO EC放電的跳變、多穩(wěn)、遲滯現(xiàn)象-$=Jiinavaion 口藥 WTH _E* 二十二- i -Jiin

6、avaIWtllt線圈磁場鐘罩石英腔線圈磁場DECR石英窗口諧振腔型喇叭天線密執(zhí)安disk源增長型irivti大體積永久狹縫天線磁鋼JiinavaJiinava法國 DECR(Distributed electron cyclotron reasonance)德國環(huán)形腔EC嗚離子體德國環(huán)形腔EC等離子體放電照片CR增強濺射沉積等離子體源CDil圓柱靶EXB（線圈磁場）tnjel平面/圓柱對靶EXB（線圈磁場）quart!Kl9|llS 七Mmt 8jiwavEisjiwaushunchr典宙【仙5X1 N狹夾縫天纟亍soli Fs磁控管濺射、ECR同一磁場無線圈磁場磁控管濺射、ECR不同磁場無

7、線圈磁場EC沉積等離子體源防窗口污染設(shè)計設(shè)計原則：窗口在沉積粒子視線死角增加窗口/沉積室之間距離diacUrpthanber:山T*狎爲(wèi)qurtiiltrel-gliictr pliEeCtlflz I時外嘰啊T忤depiiiliH tlanbr 一、pUsci thnhffnni*0區(qū)ECF等離子體特點(1) 微波在波導(dǎo)中以橫電波或橫磁波方式傳播，可以實現(xiàn)無內(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) 磁場約束減小了等離子體與真空室壁的相互作用 近麥克斯韋型電子能量分布的咼能尾部的存在提咼了電離率、分子離解率及反應(yīng)粒子的活性；(5) 放電氣壓低，等離子

8、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)生相對獨立.ECR等離子體應(yīng)用及優(yōu)點正由于ECR等離子體的上述特點，它在應(yīng)用中具有直流和射頻 放電所無法比擬的優(yōu)點：(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 實現(xiàn)晶體取向生長；(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)，延長了源運行壽命，能穩(wěn)定提供各類活 性離子，可以實現(xiàn)寬束強流輸出，并且可以獲得多電荷態(tài) 和負離子.ECR等離子體缺點：放電需要磁場，成本高，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜等離子體放電控制技術(shù)難度高。非講授內(nèi)容Qgasd7 vacuum pumpmicrowave2.45GHvisible monochromato加:dot antenna(slot)BNpermanentmagnetmmy load orshort plung