ECR等离子体

电子回旋共振等离子体

(Electron CyclotronResonance,ECR)

z 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.

z ECR等离子体源结构:

z 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

B 0 0

≠()()⎥

⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+−+++=2222222112~c c c c c

eff

v v v E E ωωωω [对比] B 0=0

2

2222

~c

c eff

v v E

E +=ω

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/m e =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: n R =∞)

ω2pe/ω2=1-ωce/ ω(截止条件: n R =0)

----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n crit= n c (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

-------共振区中右旋波的共振吸收功率

P abs (r,z) = P input(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]ECR plasma 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---〉圆波导，

10TE 11TE 0110,TM TE (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

⊙共振区磁场梯度对离子体密度及径向分布的影响

电磁线圈电流对共振区磁场位形的影响

副线圈（sub-coil）对共振区磁场位形的影响

⊙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

喇叭天线大体积永久狭缝天线

法国DECR(Distributed electron cyclotron reasonance)

德国环形腔ECR等离子体

德国环形腔ECR等离子体放电照片

z 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

狭缝天线磁控管

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