电子回旋共振ECR放电
1. 2. 3. 4.
物理模型 理论方法 数值模拟 诊断分析
Slide 7
1. 物理模型
Univ. Elec Sci & Tech of China Theory and Computer Simulation Lab.
2.1 电磁场的求解 2.2 电流源的求解 2.3 推动带电粒子运动 2.4 带电粒子与边界的相互作用
Slide 11
2.1 电磁场求解
Univ. Elec Sci & Tech of China Theory and Computer Simulation Lab.
设系统的半径为常数R0，考虑正交模式TEmn，圆波导系统中任意场可以表示为：
Slide 3
实验研究
Univ. Elec Sci & Tech of China Theory and Computer Simulation Lab.
Байду номын сангаас
在实验方面，人们已经可以通过: Langmuir探针 Doppler-Shifted 激光感应荧光计 激光Thomson scattering
光谱法
substrate
2.45GHZ microwaves
Magnetic field lines
solenoids
图1 ECR放电系统
Slide 8
1. 物理模型
Univ. Elec Sci & Tech of China Theory and Computer Simulation Lab.
图2 外加静磁场分布 (Convergence-type)
Univ. Elec Sci & Tech of China Theory and Computer Simulation Lab.
至今为止，理论及模拟工作相对较少，而且尚不成熟，其与实验 研究工作的不同步主要是因为：
1. ECR放电中的各种物理过程变化很快，各种粒子运动的 时间又不同步，这导致模拟的计算量非常大；
近20年来，经过众多学者的不断努力，相继在ECR放电、ECR等离子体 源特性的模拟中提出了三类模型：粒子模型、流体模型、混合模型。
模拟模型
流体模型 静电 模型 电磁 模型
粒子模型
混合模型 静电 模型 电磁 模型
PIC/MCC
静电 模型 电磁 模型 静电 模型
PIC
电磁 模型
MCC
Slide 6
Outline
其中
(i ) cs(i ) cmn (R, ) 为i极化，TEs(TEmn)模式场的横向波函数
由真空中的麦克斯韦方程组来求解自洽电磁场分布。
Slide 12
2.1 电磁场求解
Univ. Elec Sci & Tech of China Theory and Computer Simulation Lab.
(1) (1) (2) (2) E ETS ( z, t ) e c E ( z , t ) e c s TS s z z s
2 2
(1) (2) (1) (1) (1) (2) (2) (2) B BTS ( z , t ) cs(1) BTS ( z , t ) cs(2) ez BLS ( z , t )kcs cs BLS kcs cs s s
( j ) B ( j) ( c dA c (cu ) ( E )dA A u ) A t
B ( j) ( j) c e dA c cu ez ( E )dA A u z A t ( j ) E ( j) ( j) ( e c ) dA c ( e c ) B dA 4 J ( e c )dA z u z u z u A A A t
应用意义
Univ. Elec Sci & Tech of China Theory and Computer Simulation Lab.
随着低温等离子体在微电子工业的广泛应用和快速发展，对低气压
、高密度等离子体源的需求与日俱增。目前可采用(电子回旋共振)ECR
放电、感应耦合射频放电、螺旋波放电等方式生成。ECR放电生成的等 离子体具有高密度、运行气压低、高电离度、大体积、均匀、无电极污 染、设备简单、参数易于控制等优点，广泛应用于刻蚀、薄膜沉积、离 子注入、溅射、表面清洁等。ECR放电还可以产生高密度、高电荷态离 子束，该离子束在原子物理、核物理、高能物理，甚至工业应用等方面 均已经被广泛应用。
Slide 9
Outline
Univ. Elec Sci & Tech of China Theory and Computer Simulation Lab.
1. 2. 3. 4.
物理模型 理论方法 数值模拟 诊断分析
Slide 10
2. 理论方法
Univ. Elec Sci & Tech of China Theory and Computer Simulation Lab.
微波干涉仪 能量分析仪 等来进行诊断。但由于ECR放电复杂的变化过程，使得仅仅利用实验 是无法深刻理解其物理机制和瞬态过程的，而且诸如：ECR加热、粒子的 输运过程、带电粒子能量分布和角分布，对实际的应用起直接的指导作 用，这些都需要对ECR放电进行深入的理论及模拟研究。
Slide 4
理论及模拟研究
2. 由于ECR放电中电子回旋共振的特征，使得二维甚至是 三维的模拟才较符合实际的物理过程，而维数的增加会 导致模拟的计算量呈数量级的增长； 3. ECR放电系统结构复杂多样，控制放电的参数很多，无 形之中又增加了理论研究的难度。
Slide 5
理论及模拟研究
Univ. Elec Sci & Tech of China Theory and Computer Simulation Lab.
Slide 1
第十三届全国等离子体科学技术会议 成都 2007.08
Univ. Elec Sci & Tech of China Theory and Computer Simulation Lab.
电子回旋共振放电的数值模拟
报告人：金晓林
电子科技大学 物理电子学院 理论与计算机模拟研究室
Slide 2
半导体工艺及芯片制造技术问题答案(全).
常用术语翻译active region 有源区2.active component有源器件3.Anneal退火4.atmospheric pressure CVD (APCVD) 常压化学气相淀积5.BEOL（生产线）后端工序6.BiCMOS双极CMOS7.bonding wire 焊线，引线8.BPSG 硼磷硅玻璃9.channel length沟道长度10.chemical vapor deposition (CVD) 化学气相淀积11.chemical mechanical planarization (CMP)化学机械平坦化12.damascene 大马士革工艺13.deposition淀积14.diffusion 扩散15.dopant concentration掺杂浓度16.dry oxidation 干法氧化17.epitaxial layer 外延层18.etch rate 刻蚀速率19.fabrication制造20.gate oxide 栅氧化硅21.IC reliability 集成电路可靠性22.interlayer dielectric 层间介质（ILD）23.ion implanter 离子注入机24.magnetron sputtering 磁控溅射25.metalorganic CVD(MOCVD)金属有机化学气相淀积26.pc board 印刷电路板27.plasma enhanced CVD(PECVD) 等离子体增强CVD28.polish 抛光29.RF sputtering 射频溅射30.silicon on insulator绝缘体上硅（SOI）第一章半导体产业介绍1. 什么叫集成电路？写出集成电路发展的五个时代及晶体管的数量？(15分)集成电路：将多个电子元件集成在一块衬底上，完成一定的电路或系统功能。
集成电路芯片/元件数产业周期无集成 1 1960年前小规模(SSI) 2到50 20世纪60年代前期中规模(MSI) 50到5000 20世纪60年代到70年代前期大规模(LSI) 5000到10万 20世纪70年代前期到后期超大规模(VLSI) 10万到100万 20世纪70年代后期到80年代后期甚大规模(ULSI) 大于100万 20世纪90年代后期到现在2. 写出IC 制造的５个步骤？(15分)Wafer preparation(硅片准备)Wafer fabrication (硅片制造)Wafer test/sort (硅片测试和拣选)Assembly and packaging (装配和封装)Final test(终测)3. 写出半导体产业发展方向？什么是摩尔定律？(15分)发展方向：提高芯片性能——提升速度(关键尺寸降低,集成度提高,研发采用新材料)，降低功耗。
回旋共振的原理及应用
回旋共振的原理及应用1. 简介回旋共振是一种物理现象，它是指在强磁场中，带电粒子在外加高频电场作用下，沿着螺旋轨道运动的现象。
该现象广泛应用于物理学、化学、医学等领域。
本文将介绍回旋共振的原理及其在不同领域中的应用。
2. 回旋共振的原理回旋共振的原理基于带电粒子在强磁场和高频电场中的相互作用。
当带电粒子在外加磁场中运动时，其感受到的洛仑兹力会改变其轨道。
同时，外加的高频电场通过与粒子的电荷相互作用，使得粒子的运动轨迹呈现出螺旋形。
3. 回旋共振的应用3.1 粒子加速器回旋共振在粒子加速器中得到了广泛应用。
当带电粒子通过加速器时，通过加强磁场和外加高频电场的作用，可以使得粒子的能量不断增加。
这种方法被用于加速粒子，如在核物理研究中，用于加速质子和离子。
3.2 核磁共振成像回旋共振也被成功应用于核磁共振成像（MRI）技术中。
在MRI中，通过在人体或物体周围建立强磁场，然后通过高频电场激发被测物体中的核自旋。
通过检测核自旋放松过程中的信号，可以获得物体的高分辨率图像。
3.3 化学分析在化学分析中，回旋共振被广泛应用于核磁共振波谱学（NMR）和电子自旋共振（ESR）等技术中。
这些技术通过探测样品中的核自旋或电子自旋运动状态，可以获得关于样品内部结构和化学性质的信息。
3.4 医学诊断回旋共振在医学诊断中具有重要作用。
核磁共振成像技术已成为常规诊断手段之一，在医院中广泛应用于检查人体内部器官和组织的状况。
此外，比如在放射治疗中，也可以利用回旋共振技术对肿瘤等异常组织进行定位和精确治疗。
4. 风险和挑战虽然回旋共振技术在各个领域中取得了巨大成功，但也面临一些风险和挑战。
例如，在粒子加速器中，需要处理高能量粒子的安全问题；在医学诊断中，需要保护患者的安全，并确保正确的成像和诊断结果等。
5. 结论回旋共振是一种重要的物理现象，其原理的应用涵盖了物理学、化学、医学等多个领域。
粒子加速器、核磁共振成像和医学诊断是回旋共振技术应用的典型例子。
电子回旋共振等离子体沉积
ECR-CVD machine
优点
• 降低CVD成膜温度 • 获得高质量的导电薄膜 • 获得各种其他薄膜，如绝缘介质薄膜，合 金薄膜等
电子回旋共振等离子体沉积
(ECR-CVD) 09微电2
什么是电子回旋共振(ECR)？
• 在875GS（高斯）的磁场中，电子受洛伦 兹力发生回旋运动，同时，在此区域内存 在2.45GHZ的微波，电子的回旋运动和微 波就会发生共振现象。
什么是等离子体？
• 等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥 夺后的原子及原子被电离后产生的正负电 子组成的离子化气体状物质，它广泛存在 于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外， 物质存在的第四态。等离子体是一种很好 的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以 捕捉、移动onal!
沉积过程
• 电子在微波电场中将被不断同步、无碰撞 加速而获得的能量大于离子获得的能量， 如果在两次碰撞之间电子共振吸收微波的 能量大于气体粒子的电离能、 分子离解能 或某一状态的 • 激发能，那么将产生碰撞电离、分子离解 和粒子激活，从而实现等离子体放电和获 得活性反 • 应粒子，形成高密度的 ECR 低温等离子体。
ecr 等离子体 解离二氧化碳
ecr 等离子体解离二氧化碳ECR (电子循环共振) 是一种高频电磁波加热技术，可用于解离二氧化碳 (CO2) 等离子体。
本文将介绍ECR技术的原理、应用和优势。
一、ECR技术原理ECR技术利用高频电磁波与等离子体中的电子发生共振，进而加热等离子体，提高其能量，从而实现解离。
在ECR装置中，等离子体通常由电子、离子和中性粒子组成，其中电子是主要的能量携带者。
ECR技术主要包括以下几个步骤：1. 提供高频电磁波：通过微波源产生高频电磁波，并通过波导传输到ECR装置中。
2. 电磁波与等离子体共振：高频电磁波在ECR装置中形成一个磁场，与等离子体中的电子发生共振，加速电子的运动。
3. 电子加热等离子体：共振加速的电子与等离子体发生碰撞，将能量传递给等离子体，使其温度升高，从而实现解离二氧化碳等反应。
二、ECR技术应用1. 化学合成：ECR技术可用于化学合成过程中的二氧化碳解离，提供反应所需的离子能量，加速反应速率，提高产物纯度。
2. 环境保护：二氧化碳是温室气体的主要成分之一，ECR技术可用于二氧化碳的解离和转化，从而减少温室气体排放，并探索二氧化碳的再利用途径。
3. 能源开发：ECR技术可用于氢能源的生产，通过解离二氧化碳获得氢气，作为清洁能源的替代品，减少对传统化石燃料的依赖。
三、ECR技术的优势1. 高效能量传递：ECR技术通过共振加速电子，实现了高效能量传递给等离子体，提高了解离效率。
2. 温和反应条件：ECR技术在解离过程中对反应体系施加的热量较小，可以避免一些传统热解反应中的副反应和能量损失。
3. 环境友好：ECR技术可利用二氧化碳等废弃气体进行解离，减少了对环境的污染，并有助于实现废物资源化利用。
ECR技术是一种利用高频电磁波加热等离子体的技术，可用于解离二氧化碳等反应。
它具有高效能量传递、温和反应条件和环境友好等优势，适用于化学合成、环境保护和能源开发等领域。
随着对清洁能源和环境保护的需求不断增加，ECR技术有望在未来得到更广泛的应用和发展。
ECRIT等离子体特性数值模拟分析
ECRIT等离子体特性数值模拟分析
贺亚强;耿海;吴先明;王紫桐;孙新锋;吴辰宸;蒲彦旭
【期刊名称】《航天器工程》
【年(卷),期】2024(33)2
【摘要】针对航天器推进系统电子回旋共振离子推力器(ECRIT)电离效率易受放电室结构参数和工作参数影响,主要技术参数之间存在耦合不能单独优化的问题,文章采用多物理场仿真软件开展数值模拟,利用自适应函数细化电子回旋共振(ECR)区网格法提高仿真精度,探究不同磁路结构参数、工质气体、天线构型、微波功率对ECR推力器性能的影响规律,使电子在ECR区能够获得最大能量,经部分试验验证(微波输入功率和工质气体对放电影响),结果表明:磁环间距、内磁环-波导小端面距离和磁体高度对ECR区的分布影响较大,磁体宽度的影响较小;氙气的电子数密度高于氩气;L型天线电子密度和功率沉积高于杆天线;电子数密度和碰撞功率损耗随着入射微波功率增大而增大,可为ECR推力器设计提供参考。
【总页数】11页(P84-94)
【作者】贺亚强;耿海;吴先明;王紫桐;孙新锋;吴辰宸;蒲彦旭
【作者单位】兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】V439
【相关文献】
1.电感耦合等离子体离子源气体温度特性数值模拟分析
2.面向等离子体部件沉积特性的数值模拟研究
3.2cm电子回旋共振离子推力器离子源中磁场对等离子体特性与壁面电流影响的数值模拟
4.不同介质下氦DBD等离子体特性数值模拟
5.大气压双频Ar/O_(2)放电等离子体特性的数值模拟
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
ECR离子源学习总结
读《离子的喷泉——电子回旋共振离子源》张翔2011年8月29日1.离子源的相关基本知识：1.1 离子源概说：原子是由原子核和核外电子构成，当原子核外层电子被剥掉一个或几个，即形成了离子。
被剥离的电子数目称为离子的电荷态。
一台离子源的性能根本上是由电离室（放电室）内等离子体的性质决定的。
而等离子体的性质与下列因素密切相关：周围的磁场和电场分布；放电室表面状况及伴随所发生的相关效应；放电室内工作气压；为加工离子源所涉及到的工艺。
从离子源中引出的离子束必须在真空管道中传输，管道内真空度必须足够好，一般要求它的密度比大气密度的十亿分之一还要小。
否则管道内剩余气体的原子会与离子束的离子“碰撞”，使离子从剩余气体的原子中俘获电子而损失掉。
从离子源中喷射出来的离子并不都是沿着平行于管道中心轴线运动，而是与中心轴线成一定的夹角，也就是说，从离子源中出来的离子有一定的发散度，如果没有外界力的作用使其改变方向，则随着传输距离的增加，许多离子就会打到管壁上损失掉。
在这一点上，离子束与光束很类似，为了防止发散，都需要利用透镜聚焦束流。
聚焦透镜一般都是利用电场或磁场使带电粒子在横向受一定的作用力，从而迫使带电粒子靠近中心轴线。
离子源系统一般是由：放电室，引出部分，聚焦透镜，分析选择器，和测量部分组成。
其中分析选择器是用于筛选不同同位素和电荷态离子的，与以前学的速度选择器不同。
1.2 离子的产生：我们知道，当原子中的电子从外界获得能量时，可以从低能级跃迁到高能级，这种原子称为受激原子。
当这种能量大到一定数值时，原子中的外层电子就可逃脱原子核的束缚，变成自由电子。
我们称这种情况的原子被电离成自由电子和正离子。
原子被电离的方法有很多，可以通过电子与原子的碰撞（将电子的动能部分地转移给原子，使其激发，物理机制是量子力学的内容）；原子和原子的碰撞；光子对原子的作用；电子或离子作用在固体表面；固体电极表面电场非常强时，也会由表面释放出电子，产生电离。
气体放电等离子体及应用的研究进展
气体放电等离子体及应用的研究进展石峰;王昊【摘要】由于气体放电在材料处理、热核聚变、环境净化以及等离子体推力器等各个前沿科学领域中具有广泛的应用.为了推动气体放电及等离子体理论与应用技术的研究和发展,综述了近年来各种典型气体放电机理的发展.分析了直流辉光放电、介质阻挡放电、大气压辉光放电、电子回旋共振放电、容性耦合射频放电的国内外研究现状,最后介绍了气体放电等离子体的应用领域.%Gas discharge is the main way to produce low temperature plasma,and exists widely in people's daily life. Its development has a great impact on the development of high-tech economy and the transformation of traditional indus-tries.In this paper,the classification and principle of gas discharge,the conditions of dischargeand Characteristics of gas discharge plasma are described.Finally,the application fields of gas discharge plasma are introduced.【期刊名称】《真空与低温》【年(卷),期】2018(024)002【总页数】6页(P80-85)【关键词】气体放电;直流放电;射频放电;介质阻挡放电;容性耦合射频放电;等离子体应用【作者】石峰;王昊【作者单位】河南理工大学物理与电子信息学院,河南焦作454000;河南理工大学物理与电子信息学院,河南焦作454000【正文语种】中文【中图分类】O530 引言在自然状态下，气体通常处于绝缘状态，但是在外加电场时，气体分子就被电离成电子和离子，因此，气体放电是产生低温等离子体的主要方式[1]。
ecr离子源原理
ecr离子源原理ECR离子源是一种常用于离子束蚀刻和离子注入等应用的离子源。
ECR是英文“Electron Cyclotron Resonance”的缩写，指的是电子回旋共振。
ECR离子源的原理就是利用电磁场和微波场来加热和激发被加热介质中的电子，使其能量增加，从而形成高能电子束。
这些高能电子与被加热介质中的原子或分子发生碰撞，将其电离成离子，从而形成离子束。
ECR离子源的工作原理可以分为三个主要步骤。
首先，通过外加的恒磁场和高频微波场，形成一个稳定的电子回旋轨道。
这个电子回旋轨道在恒磁场的作用下，使得电子受到一个向心力，不断绕着回旋轨道运动。
其次，微波场会通过与电子回旋轨道的频率匹配，将能量传递给电子。
这样，电子的能量就会逐渐增加。
最后，加热介质中的原子或分子与高能电子发生碰撞，被电离成离子。
这些离子在恒磁场的引导下，沿着电子回旋轨道被加速并聚焦，形成一个稳定的离子束。
ECR离子源的工作原理可以通过以下几个方面来解释。
首先，恒磁场的作用可以使得电子回旋运动，形成一个稳定的轨道。
这个恒磁场是通过外部提供的磁场产生的，通常使用超导磁体来提供稳定的磁场。
其次，高频微波场的作用是将能量传递给电子。
微波场的频率需要与电子回旋的频率匹配，这样才能有效地将能量传递给电子。
最后，加热介质中的原子或分子与高能电子发生碰撞，被电离成离子。
这个过程需要满足一定的条件，如电子的能量和速度需要达到一定的阈值，才能将原子或分子电离成离子。
ECR离子源的原理在离子束蚀刻和离子注入等应用中具有重要的意义。
在离子束蚀刻中，ECR离子源可以提供高能的离子束，用于去除材料表面的部分物质，从而实现微细加工。
在离子注入中，ECR 离子源可以提供高纯度的离子束，用于将离子注入到材料中，改变其物理和化学性质。
这些应用对于微电子器件和材料科学等领域具有重要的意义。
ECR离子源是一种利用电磁场和微波场加热和激发电子，将原子或分子电离成离子的设备。
新型低温等离子体技术及应用
广东技术师范学院学报（自然科学）2010年第1期Journal of Guangdong Polytechnic Normal University No ．1，2010新型低温等离子体技术及应用王春安闫俊虎（广东技术师范学院，广东广州510665）摘要：等离子体尤其是低温等离子体由于其一系列特殊的性质，广泛应用于薄膜沉积、微电路干法刻蚀、材料表面改性等方面。
本文介绍了目前经常采用的几种新型低温等离子体技术，电子回旋共振（ECR ）等离子体、射频感应耦合（ICP ）等离子体、以及螺旋波（HWP ）等离子体。
这几种等离子体由于无内电极放电无污染、等离子体密度高、能量转换率高、电离度高等优点必将在传统工艺的基础上得到更广泛的应用。
关键词：低温等离子体；ECR 等离子体；ICP 等离子体；HWP 等离子体中图分类号：O 434.14文献标识码：A文章编号：1672-402X （2010）01-0022-04收稿日期：2010-01-16作者简介：王春安（1982-），女，内蒙古牙克石人，广东技术师范学院电子与信息学院助教，研究方向：凝聚态物理学。
0引言大量的粒子在热激发、光激发、电激发下会产生电离，形成由离子、电子、自由基、及中性粒子组成的空间体系，当带电粒子密度达到其建立的空间电荷足以限制其自身的运动时，这种电离气体就成了等离子体.等离子态体的基本性质在于它的准电中性，即等离子体中的正电粒子数和负电粒子数相当.在等离子体内，电子和离子质量的巨大差导致存在两种不同的温度（能量），如果电子温度远大于离子温度，既电子温度在104K 以上，而重粒子的温度却可低至几百K ，这种等离子体称为低温非平衡等离子体.低气压低温等离子体由于其一系列特殊的性质，在材料表面改性、等离子体溅射和化学气相沉积薄膜、等离子体清洗、微电路干法刻蚀等方面有更广泛的应用［1-4］.本文主要介绍目前得到广泛研究与应用的几种新型低温低气压辉光放电等离子体，即电子回旋共振ECR 等离子体等离子体(ECR:Electron Cyclotron Resonance)、射频感应耦合等离子体（ICP ：InductivelyCoupled Plasma ）、螺旋波等离子体(HWP:Helicon Wave Plasma).1电子回旋共振等离子体电子回旋共振（ECR ）是指在磁场中受洛伦兹力作用作回旋运动的电子，在磁场强度为875Gauss 处它的回旋频率和沿磁场方向传播的右旋极化微波频率2450MHz 相等，电子在微波电场中将被不断同步加速而获得的能量大于离子获得的能量，使得即使在接近常温下，如果在两次碰撞之间电子共振吸收微波的能量大于气体粒子的电离能、分子离解能或某一状态的激发能，那么将产生碰撞电离、分子离解和粒子激活，从而实现等离子体放电和获得活性反应粒子，形成高密度的ECR 低温等离子体.ECR 等离子体有如下的优点：1.等离子体密度高，约有1010～1012cm -3；2.离子能量低，避免了离子轰击造成的材料表面损伤和缺陷的产生；3.无内电极放电无污染；4.磁场约束，减少了等离子体与器壁的作用；5.放电气压低，约有10-2-10-1Pa ；6.能量转换率高，电离度高（>10%），对微波的吸收率高达95%以上；7.低温下激发的高密度活性基有利于高温材料的低温合成.上述优点使得ECR 等离子体在等离子体微细干法刻蚀、等离子体辅助化学气相沉积、材料表面处理等方面具有广泛的应用前景［5,6］.ECR 等离子体化学气相沉积（ECR-PECVD ）采用ECR 等离子体辅助，充分利用磁场对等离子体的定向输运和约束，以及离子轰击能低、等离子体密度大的优点来在样品台附近获得大量的等离子体活性自由基，实现需要高温生长条件薄膜的低温沉积，克服了薄膜在生长过程中因高温造成晶格热失配而产生的晶格缺陷和裂痕，保证了高质量薄膜的生长.这一工艺有效弥补了目前常用的基于直接加热分解技术的有机金属化学气相沉积(MOCVD)方法生长薄膜温度高、工艺复杂、成本高的不足［7］.如图1是两种常用的紧凑型和延长型ECR等离子体放电装置，延长型ECR产生装置主要由BJ22波导管、两组环形对称励磁线圈、共振腔、反应室、样品台、真空系统、配气系统等组成.TE10微波通过石英耦合窗馈入共振腔中，在共振层处电子回旋共振吸收微波能量产生高密度ECR等离子体，在磁场梯度的作用下等离子体向下级扩散至整个反应室空间.样品台放置在反应室下游区位置，在这一区域没有磁场影响且等离子体均匀分布，薄膜生长，材料表面改性等均可以在这一区域完成.如Fu S L等人采用ECR-PECVD工艺，在T=4500C低温下制备出了GaN薄膜［8］.2射频感应耦合等离子体射频感应耦合(ICP)等离子体源的早期研究始于20世纪初Thomson和Townsend，以及Wood等开创性的工作，但当时的工作气压还在几百帕，且等离子体产生尺度范围还很窄而得不到广泛的应用.直到最近的10年，低压、高密度大直径的ICP等离子体源才在生产中得到使用［9,10］.图2是目前流行的两种不同RF射频感应耦合等离子体装置.一种是圆筒型，即射频耦合天线螺旋缠绕在柱形放电管（通常是绝缘石英管）周围，一种是平面型，即射频耦合天线同心螺旋放置在放电管的顶部，射频能量通过天线耦合到放电管中，产生高密度均匀的ICP等离子体［7］.ICP等离子体产生原理是通过匹配网络将13.56MHz射频功率加到螺旋线圈天线上产生射频磁通，射频磁通在真空圆筒形容器内部轴向感生射频电场，真空容器中的电子被感生电场加速，被电场加速的电子与气体分子剧烈频繁碰撞，使气体分子被激发、电离及离解而形成ICP 等离子体.ICP等离子体除了具有ECR等离子体的无内电极放电无污染，等离子体密度高（~1010c m-3）等特点外，成本低的优势使得其应用范围更广泛.ICP等离子体增强气相沉积（ICPECVD）是化学气相沉积技术的一种，其基本原理是将射频放电的物理过程和化学气相沉积相结合，利用ICP等离子体裂解反应前驱物.如制备高硬度、耐高温耐腐蚀的Si3N4薄膜［11］.ICP等离子体的另一个主要工业应用就是等离子体干法刻蚀，特别是反应离子刻蚀（RIE）.ICP等离子体干法刻蚀能够克服湿法刻蚀严重的钻蚀效应及各向同性的缺点，具有选择性、各向异性等特点，广泛应用于高集成度的微电子学集成电路的设计当中.如采用Cl2等离子体对p-GaN薄膜进行干法刻蚀［12］.另外，ICP等离子体还广泛应用于辅助磁控溅射、电子束蒸发工艺中，作为离子源来增强反应条件以及降低反应温度.3螺旋波等离子体螺旋波(helicon)是一种在与磁场平行的等离子体柱中传播的哨声波模式，利用一种环绕于玻璃或石英管外壁的天线与磁化等离子体中的右旋极化波的共振，可以非常有效地通过朗道吸收加热电子，产生高密度螺旋波（HWP）等离子体［13］.它最早在1960年由Aigrain提出来.20世纪70年代初，Boswell等人第一个在0.2Pa、0.045T约束磁场条件下，获得了等离子体高达1012cm-3、中性原子完全电离的HWP 等离子体.1985年，F.F.Chen［14］对HWP等离子体的产生机制提出了理论解释，认为螺旋波是通过朗道阻尼的方式加热电子的，这一提法得到了Shoji［15］和Boswell［16］等人实验的验证并得到人们的普遍接受.螺旋波是通过朗道阻尼的方式将能量传输给电子的，因此要求射频天线能很好地将射频能量耦合传递给螺旋波，所以天线的尺寸并不是任意的.螺旋波的传输模式决定于天线的结构.图3是一种螺旋波激发等离子体源装置，图4是常用的天线结构.与ICP等离子体相比，HWP等离子体虽然同样采用射频源激励，但增加了个外磁场，这个外磁场与ECR等离子体的磁场相比强度要小的多.与其他的等离子体相比，HWP等离子体的优点有：1、具有非常高的等离子体密度以及电离效率，在10-1Pa量级放电气压下等离子体密度达到1013cm-3，比ECR等离子体高一个数量级；2、HWP等离子体装置相对简单但等离子体的稳定性、易操作性优良.作为一种新的低气压、高密度等离子体源,螺旋波等离子体在超大规模集成电路工艺，微机械加工，薄膜材料制备，材料表面改性以及气体激光器等方面有广泛的应用前景.日本、美国、澳大利亚等国都在对它进行了长期的、大量的研究，而国内最近10年才开展了这方面的研究［17,18］.4结束语微加工工艺、超大规模集成电路以及半导体薄膜器件日新月异的发展，对低温等离子体技术提出了更高的要求.本文介绍的ECR等离子体、RF-ICP等离子体、HWP等离子体等离子体，是目前受到广泛研究并具有巨大工业应用潜力的低温等离子体放电技术.ECR、RF-ICP、HWP新型等离子体具有的共同特点是：电磁波激发、低气压放电、无内电极、等离子体密度高、能量转化率高.不同之处主要在于放电原理的不同：ICP是射频感应电场作用、ECR是电子回旋共振、HWP是朗道阻尼.另外，ECR采用微波激励和强磁场约束，放电面积大、等离子体密度均匀，但设备较复杂和昂贵.ICP和HWP虽然都是射频放电，但HWP加了一个弱磁场，HWP等离子体装置相对简单但等离子体的稳定性、易操作性优良.这三种低温等离子体技术在工业应用方面的优势和魅力在于等离子体自加热条件下就能获得反应所需要的活性粒子.这是传统的直接加热方式的高温化学工艺手段所无法实现的，这种根本上的优势将会微电子加工工业带来革命性的变化以及无限的商机.参考文献：［1］孟月东,钟少锋,熊新阳.低温等离子体技术应用研究进展［J］.物理,2006,35（2）:140-146.［2］李定，陈银华等.等离子体物理学［M］.北京：高等教育出版社,2006.［3］菅井秀郎等.离子体电子工程学［M］.北京：科学出版社, 2001.［4］Fu Silie,Chen Junfang,Li Yun,et al.Optical emission spectroscopy of electron cyclotron resonance-plasma enchanced metalorganic chemical vapor deposition process for deposition of GaN film［J］.plasma science&technology.2008,10(1):70-73.［5］徐新艳,汪家友,杨银堂,等.微波ECR等离子体刻蚀系统［J］.真空科学与技术,2002，22（5）：385~388.［6］Chiang M J,Lung B H,Hon M.H.Low-pressure deposition of diamond by electron cyclotron resonance microwave plasma chemical vapor deposition［J］.Journal of Crystal Growth, 2000,211：216-219.［7］Itagaki Naho,Ueda Yoko,Ishii Nobuo,et al.Production of low electron temperature ECR plasma for plasma processing ［J］.Thin Solid Films,2001,390:202-207.［8］Fu Silie,Chen Junfang，Zhang Hongbin，et al.Characterizations of GaN film growth by ECR plasma chemical vapor deposition［J］.Journal of Crystal Growth, 2009,311:3325-3331.［9］李效白.等离子体微细加工技术的新进展［J］.真空科学与技术,2000,20(3):179－186.［10］Paranjpe A P.Modeling an inductively coupled plasma source［J］.J.Vac.Sci.Technology.1994,12(4):1221－1224.［11］樊双莉,陈俊芳,吴先球等.直管式反应室感应耦合等离子体技术制备氮化硅薄膜研究［J］.华南师范大学学报(自然科学版),2004,4:66-69.［12］吕玲,龚欣,郝跃.感应耦合等离子体刻蚀p-GaN的表面特性［J］.物理学报，2008，57（2）：1128-1132.［13］Boswell R W,Chen F F.Helicons—The Early Years[J].IEEE Transactions on Plasma Science，1997,25(6):1229-1244.［14］Chen F ndau damping of helicon wsaves[J].Australian National University Report ANU-PRL IR85/12,1985.［15］Komori A,Shoji T,Miyamoto K,et al.Helicon Waves and Efficient Plasma Production［J］.Phys.Fluids B,1991,B3(4): 893-898.［16］Ellingboe A R,Boswell R W.Capacitive,in ductive and helicon-wave modes of operation of a helicon plasma source ［J］.Phys.Plasma,1996,3:2797-2799［17］江南,王珏,凌一鸣.螺旋波等离子体的实验研究［J］.真空科学与技术,2000,20（3）:207-209.［18］房同珍.螺旋波激发等离子体源的原理和应用［J］.物理, 1999,28（3）:162-167.Introduction to New Low-Temperature Plasmas and Their ApplicationsWANG Chunan YAN Junhu（Guangdong Polytechnic Normal University,Guangzhou510665,China)Astract:Plasmas，especially low-temperature plasmas have been widely applied to depositing thin films,dry etching,and modifying material surface.This paper introduces several new types of plasma,including electron cyclotron resonance plasma,inductively coupled plasma and helicon wave plasma.These types of plasmas have great potential application in industry.Key words:low-temperature plasmas;ECR;ICP;HWP。
质子束ECR源研制
质子束ECR源研制近年来，强流ECR(Electron Cyclotron Resonance)离子源因其体积小、寿命长、束流强度高、光学特性好、性能稳定等优点，逐渐受到人们的青睐。
本文计划研制一台强流质子束ECR源，该质子源将作为氘离子源的原型，为正在研制的6.0×1012n/s强流中子发生器提供强流氘离子束，以期能够达到设计要求产生足够强度的中子束流，进一步拓宽中子发生器的实验研究范围。
本文首先对ECR离子源的基本原理、主要结构和相关性能参数进行了较为详细地介绍。
在此基础之上，重点研究了微波传输系统和引出系统的相关性质。
在微波传输系统的研究过程中，根据阻抗匹配理论，并借助CST模拟软件，得到了三段双脊波导的优化设计模型，同时根据相关文献给出了微波窗的设计模型。
在引出系统的研究过程中，借助SIMION模拟软件，得到了引出系统各电极参数对引出束流特性的影响规律，在此基础之上，给出了三电极引出系统的初步设计方案。
关键词：电子回旋共振；阻抗匹配；引出系统；束流发射度第一章绪论离子源是用来产生离子束的装置，它被广泛地应用于原子物理、核物理、粒子物理、等离子体物理以及固体表面物理等领域。
然而，传统的离子源（双等离子体离子源、潘宁离子源等）工作寿命短、不耐腐蚀、束流强度不高等缺点，给现代科学研究带来了一系列问题。
人们迫切需要一种性能更加优良的离子源。
ECR离子源因其无极、耐腐蚀、寿命长、束流强度大、气耗量小、性能稳定等优点，越来越受到人们的关注。
1.1 ECR离子源的发展与现状早在上世纪60年代末，法国的Geller 等人就已开始了一对磁镜ECR离子源的实验研究[1]。
自ECR离子源诞生以来，它的发展主要经历了3个阶段：单磁镜的单电荷态阶段；min-B磁场结构的高电荷态阶段；短脉冲高电荷态阶段[2]。
然而早期的ECR离子源电功率消耗极大，这限制了它的应用及发展。
为了解决这一问题，同时出现了两种方法，一种是比利时Louvain-la-Neuve、美国MSU 以及西德Julich和Karlsruhe等研究中心使用的超导技术；另一种是法国Grenoble、美国Berkeley和Oak Ridge等研究中心使用的永磁技术[3]。