ECR等离子体08
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。
微波ECR等离子体高速溅射装置的研制
收稿日期:1998210211.汪建华,男,1955年生,副教授;武汉,武汉工业大学材料复合新技术国家重点实验室(430070).3国家自然科学基金资助项目(19175046).微波ECR 等离子体高速溅射装置的研制3汪建华 袁润章武汉工业大学材料复合新技术国家重点实验室邬钦崇 任兆杏中科院等离子体物理研究所摘 要 研制了一台高速率溅射的ECR 等离子体沉积装置.采用微波真空波导及反常模式或输入技术,利用腔内双靶构成的电场镜,使高能Χ电子在电场镜中振荡,从而获得高密度的等离子体.并且,导电膜能连续高速沉积,在2.7×10-2Pa 的低气压下,铜膜的沉积速率可达120nm m in .关键词 ECR 等离子体;高速溅率;电场镜分类号 TN 304.05 用微波ECR 溅射技术已成功地制备出高质量的ZnO ,A l N ,A l 2O 3和T i N 薄膜[1,2],然而,采用常规的ECR 溅射法在溅射过程中,金属粒子会覆盖微波输入窗口,影响装置的正常工作,必须要定时更换石英窗口.另一方面,由外磁场在腔内产生的磁通会穿过圆筒靶表面,绕着磁力线作圆周或螺旋运动的电子,很容易撞在腔壁被复合消耗,使靶的溅射速率低,影响薄膜的沉积速率.为此,研制了一台新型的ECR 溅射装置.本文介绍该装置的原理、结构和性能,研究了装置的溅射放电特性及在薄膜制备中的初步应用.1 实验装置及靶的结构特点1.1 实验装置由图1可见,频率为2.45GH z 的微波,经过图1 双靶结构的ECR 溅射装置垂直连接在共振腔壁上的真空波导,以反常波模式耦合进入腔内,共振腔长290mm ,直径为<150mm ,共振腔外绕有冷却腔体的通水铜管,在共振腔与沉积腔之间设置一平面靶<120mm ,圆筒靶<70mm (圆筒靶长60mm ),两靶之间的距离可以调节,靶基座和圆筒靶之间放有软铁环和不锈钢环,工作气体为A r ,靶材为Cu ,共振腔内产生的等离子体由发散场引入沉积室,等离体诊断使用单探针.1.2 磁控方式溅射用的圆筒靶结构将筒状靶设计成磁控溅射的方式,即利用磁场来改变电子的运动轨道将它较长时间地约束在靶表面附近,这样不但可以减少电子的散失和消耗,而且还可以增加它在靶上的运动路程,使电子与等离子体的碰撞几率和离化效率增加,从而提高气体的离化率.圆筒状溅射靶结构示如图2,靶与一个接地直流电源的靶基座相接,并且用水冷却靶基座,靶由5个支持环支撑,四个用软铁制作,中间的用不锈钢制作.图2 圆筒靶的结构和磁场的示意图1—圆筒靶;2—铁环;3—不锈钢环;4—磁力线;5—局部磁场;6—磁控管放电区域;7—发散磁场由图2可见,由于利用了4个软铁支撑环,发第27卷第2期 华 中 理 工 大 学 学 报 V o l .27 N o.21999年 2月 J.H uazhong U n iv .of Sci .&T ech . Feb . 1999散磁场在靶表面上容易形成局部磁场,此局部磁场有效地产生磁控放电(E ×B ).为了形成等离子体流仍维持发散磁场,局部磁场从靶表面扩张很小,实验观察到放电时,圆筒靶表面有2个界限分明的明亮光环,每条光环长度对应着铁环的长度.这表明:靶表面形成的局部磁场产生了磁控放电,在靶表面上形成了高密度的等离子体.1.3 电场镜2双靶溅射结构微波从侧面输入进入共振腔,对解决微波窗口的污染是行之有效的[3].因为微波输入窗口置于靶的死角,能避免金属粒子对窗口的污染.但该法的微波以X 模式耦合进入共振腔,产生的等离子体密度N e 受截止区的影响,不可能像R 模式波耦合到共振腔所产生的等离子体密度那样高,因而会使靶的溅射速率受到影响,为提高共振腔内的等离子体密度和靶的溅射速率,在新型ECR 溅射装置中,采用了双靶结构,即圆筒状靶和一平面靶.当两靶有负电压时,则构成一电场镜,如图3所示,由图可见,从靶表面发出的Χ电子被加速到相对面的靶上,到达对面靶的电子由于受靶的图3 有电场镜的ECR 溅射装置中的电子运动图负电压作用而被反射,因此,高能Χ电子在靶的电位势阱中振荡,加速了两靶之间的中性气体的电离,在有电场镜的ECR 等离子体中,电子与微波等离子体有直接的相互作用[4,5].两靶之间振荡的电子形成的电子束和等离子体之间的相互作用相同于空间电荷(Ξb +ΒV b )与等离子体波(Ξ),或相同于减慢回旋波(Slow Cyclo tron W ave )(Ξc +ΒV b )与等离子体波(Ξ)的作用.这里Ξb 为Χ电子的等离子体电子频率;Ξc 为Χ电子的回旋频率;Β为电子束的波数;V b 为Χ电子的初速度;当等离子体波频率与空间电荷波或减慢回旋波相等时,即Ξ=Ξb +ΒV b 或Ξc +ΒV b 时,相互作用增加.由于Χ电子在两个靶之间振荡,Β=n Π z ,z 为靶距.当不连续的n 为整数满足此方程时,电子束和等离子体之间的相互作用交替增长,在这里等离子体波的频率Ξ近似为磁场中上混杂波频率(Ξ2P +Ξ2c ),ΞP 为等离子体电子频率.因此,在电镜场中,不仅有电子和等离子体中的中性粒子之间的直接碰撞电离,还有电子束和等离子体之间的非线性相互作用[6],从而得到高密度的等离子体.这种双靶结构对产生高速溅射起到重要作用.2 实验结果与讨论2.1 溅射放电特性图4给出电场镜型ECR 溅射装置放电的伏安特性曲线,放电条件:气体压强P =1.3×10-2Pa ,微波功率保持在360W ,磁场电流I m =(a )当V c =-640V 时,筒靶 (b )当V p =-420V 时,流I c (圆圈)和平面靶流I c (圆圈)和I p (圆I p (圆点)与平面靶压之点)与筒状靶压之间的关系间的关系图4 电场镜型ECR 溅射装置放电的伏安特性曲线210A .平面靶压V p 与平面靶流(I p ),平面靶压V p 与筒状靶流(I c )之间的关系由图4(a )给出,这里筒状靶的电压V c =-640V .当V p =-420V 时,平面靶靶流I p ,筒状靶靶流与筒状靶靶压之间的关系由图4(b )给出.由前所述,该溅射放电是微波ECR 等离子体和有电场镜的等离子体的混合产生的.由图4(a )可见,I c 和I p 随着V p 的增加而增加;当V p 为400V 时,I c 和I p 达到峰值,随着V p 的继续增加,I c 和I p 呈下降趋势,V p 再增加至600V 以后,I c 和I p 又将增加.图4(a )中,靶电流的峰值的出现,可能意味着两个靶之间形成的电子束在产生高密度的等离子体中起主要作用,即放电曲线的起伏表明放电效率随靶压(即Χ电子的速率)起伏变化.由图4(b )可见,筒状靶靶压较低时,靶流(I p 和I c )较小,当靶压高于450V 时,靶电流急剧增大,对沉积腔的等离子体参数,用单探针进行了测量,在气压1.3×10-2Pa 范围,P w =400W ,典型的等离子体参数为:等离子体密度N e =2.6×1010c m -3,电子温度为21eV ,等离子体悬浮电位V f 为-64V .2.2 薄膜的沉积用该装置作了金属Cu 薄膜的沉积实验,结果表明:在低气压2.7×10-2,微波功率为17第2期 汪建华等:微波ECR 等离子体高速溅射装置的研制 400W时,薄膜的沉积速率可达120nm m in.如果继续提高微波功率则可获得更高的速率.2.3 讨论所研制的高速率溅射的ECR等离子体装置,具有以下的特点.a.微波从侧面经过一段真空波导管,进入共振腔,从而避免了金属粒子对石英窗口的污染.b.腔内的发散形磁场仍由腔外线圈产生,但在圆筒靶后面加了铁环,从而在靶表面形成了局部磁场,能有效产生磁控放电,提高了靶的溅射速率.c.腔内的双靶构成一电场镜,通过高能Χ电子在电位势阱中的振荡能形成电子与微波等离子体之间相互作用,从而获得高密度的等离子体,它对产生高速溅射起了重要作用.利用该装置溅射制备的Cu膜沉积速率可达120nm m in,实现了膜的快速沉积,可望为高质量薄膜的制备提供一种实用的新手段.参考文献1 汪建华,邬钦崇,任兆杏.微波电子回旋共振等离子体溅射法沉积ZnO薄膜.武汉化工学院学报,1997,19(1):84～872 汪建华,邬钦崇,任兆杏.微波ECR等离子体反应溅射沉积T i N薄膜的研究.武汉化工学院学报,1997, 19(1):239～2433 汪建华,袁润章,邬钦崇等.X模耦合微波的ECR溅射装置的放电特性.华中理工大学学报,1998,26(8): 53～554 M atsuoka M,O ne K.A N ew Spu ttering2T ypeE lectron Cyclo tron R esonance M icrow are P las m aU sing an E lectric M irro r and H igh2R ate D epo siti on.J.A pp l.Phys.,1989,65(11):4403～44095 M atsuoka M,O ne K.I on Ex trocti on from M icow ave P las m a Excited by A rdinary and Ex traodinang W aves and A pp licati on s to the Spu ttering D epo siti on.J.V ac.Sci.T echno l.,1991,A9(3):691～6956 M atsuoka M,O ne K.D en se P las m a P roduceti on fo rH igh R ate Spu ttering byM ean s of an E lectricM irro r.A pp l,Phys,L ett,1988,53(21):2025～2028A Study of the H igh Ra te Sputter i ng-Type ECRM icrowave Pla s ma Appara tusW ang J ianhua Y uan R unz hang W u Q inchong R en Z haox ingAbstract A h igh rate sp u ttering2typ e ECR m icrow ave p las m a app aratu s has been studied.T he app aratu s is characterized by u tilizing a techn ique vacuum w avegu ide and an ex trao rdinary w ave m ode coup ling u sing an electric m irro r by m ean of the tw o targets in the cavity.T he h igh energyΧelectron o scillating betw een the tw o targets p lay a m aj o r ro le in generati on the den se p las m a.T he conducto r fil m can be con tinuou sly depo sited by th is sp u ttering m ethod at h igh rate.Cu fil m is depo sited at rates above120nm m in under low gas p ressu res of2.7×10-2Pa.Keywords ECR p las m a;h igh rate sp u ttering;electric m irro rW ang J i anhua A ssoc.P rof.;State Key L abo rato ry of A dvanced T echno logy fo rM aterials Syn thesis and P rocessing,W U T,W uhan430070,Ch ina.27 华 中 理 工 大 学 学 报 1999年。
ECR新型低温等离子体技术及应用
射捌恼显
ｌ
●
●
（） ４ 低温下激发 的高密度活性基有利于高温材料的低温 合成 。
图 ２是 两 种 常 用 的 紧 凑 型 和 延 长 型 Ｅ Ｒ等 离 子 体 放 电装 Ｃ 置 。 由于 电子 回 旋 共 振 只 发 生 于局 部 空 间 区 域 ， 共 振 区 的 等 其
社．０６ ２０
２Ｅ Ｒ等 离子体应 用 Ｃ
Ｅ Ｒ等离子体 的诸多优 点使得其在 等离子体微 细干法刻 Ｃ 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 。
．
【 李 效 白． 离 子 体 微 细加 工 技 术 的新 进 展 ｆ． 空 科 学 与 技 １ 】 等 Ｊ真 １
历 ｅ
对 应 磁 场 强度 在 ８ ５ ａ ｓ ７ Ｇ ｕｓ附近 。 电子 在 此 处 将 回旋 共 振 吸 收 微 波 能量 ， 能 量 运 动 电子 与 中性 气 体 粒 子 发 生 碰 撞 将 产 生 碰 高
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（） 凑 型 ａ紧
撞 电离、 子离解和粒 子激活 ， 分 从而实现等 离子体放 电和 获得
虑艄 ■
因
本 文 主 要 介 绍 目前 得 到 广 泛 研 究 与 应 用 的 电 子 回旋 共 振 等 离 子 体 的放 电原 理 以及 其 工 业 应 用 价 值 。
１Ｅ Ｒ等离子体放 电原 理 Ｃ
图 １ Ｅ Ｒ 等 离 子 体 产 生 示 意 图 。 当 磁 场 中 电 子 的 回 旋 是 Ｃ 运动频率 ｆ ． Ｏ ＝．＿ 等 于 的 Ｔ 模 式 微 波 的 ２ ５ ＭＨ 频 率 时 ， 二 Ｅ ４０ ｚ
一种ECR等离子体溅射装置及其溅射方法[发明专利]
![一种ECR等离子体溅射装置及其溅射方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/3fa0ab39ba68a98271fe910ef12d2af90242a8c1.png)
(10)申请公布号(43)申请公布日 (21)申请号 201610103436.2(22)申请日 2016.02.25C23C 14/35(2006.01)(71)申请人深圳大学地址518060 广东省深圳市南山区南海大道3688号(72)发明人刁东风 范雪 陈成(74)专利代理机构深圳市君胜知识产权代理事务所 44268代理人王永文 刘文求(54)发明名称一种ECR 等离子体溅射装置及其溅射方法(57)摘要本发明提供了一种ECR 等离子体溅射装置及其溅射方法，包括从左至右依次设置的微波发生器、等离子体室、成膜室及预真空室；所述微波发生器依次通过微波导管及石英窗与等离子体室相连；所述等离子体室的外侧设置有第一磁线圈和第二磁线圈；所述成膜室的外侧设置有第三磁线圈；所述成膜室的近等离子体室端的等离子体室右侧电子回旋共振磁场处设置有圆筒形固定靶材，所述成膜室的近预真空室端设置有基板；所述圆筒形固定靶材通过靶材电源接地。
本发明通过确定成膜室中圆筒形固定靶材和基板的位置关系，在封闭和发散两种磁场模式下都能够获得稳定的等离子体，以及最好的电子和离子照射效果。
(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书7页 附图5页CN 105624624 A 2016.06.01C N 105624624A1.一种ECR等离子体溅射装置，其特征在于，包括从左至右依次设置的微波发生器、等离子体室、成膜室及预真空室；所述微波发生器依次通过微波导管及石英窗与等离子体室相连；所述等离子体室的外侧设置有第一磁线圈和第二磁线圈；所述成膜室的外侧设置有第三磁线圈；所述成膜室的近等离子体室端的等离子体室右侧电子回旋共振磁场处设置有圆筒形固定靶材，所述成膜室的近预真空室端设置有基板；所述圆筒形固定靶材通过靶材电源接地。
2.根据权利要求1所述ECR等离子体溅射装置，其特征在于，所述等离子体室上设置有真空气路。
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。
ECR等离子体系统中粒子沿微管传输的研究
位． 许多研究者建立了基 于粒子两体碰撞模型的经 典输运理论 ， 考虑磁场位形影响的新经典理论 ， 但与 实验的结果相差甚大． 由于等离子体本身非线形现 象丰富 ， 要理解诸如反常输运、 等离子体湍流等复杂 现象 ， 必须要考虑非线形效应 ， 已经成为近十年来等 离 子体理 论研究 的重 点 方 向之 一 ． 目前 对宏 观非 平 衡等离子体的研究较多＿ ］现代动力学理论 主要 ｌ ． 是以玻耳兹曼方程为基础 ， 以各种近似分析方法 辅 来研究亚稳态的传输现象 ， 运用统计的手段取得 了 客观 的成绩 Ｊ近年来 ， ． 不断有人用统计方法描述
某些环境参数的变化来使得沿微管表面传输的粒子 产生 净流 动．
１ 粒 子 的传 输 模 型
本 文 仅 考虑 一 个 只包 含 基 本元 素 的 简 单 系统 ． 假 设在 一个 Ｅ Ｒ等离子 体 系统 中 ， 一个 活 跃 的布 Ｃ 有
朗粒子沿着一支微管表面运动 ， 这个粒子受到系统 中其余粒子对它的综合性零平均力 的作用． 为简化 研究对象 ， 假设系统 中存在一个可 以不断变化 的磁 场， 选择 用 Ｌｎｅｉ ａｇｖ ｎ方程 来描 述该 布 朗粒子 的运 动 ．
华南师范大学学报 （自然科 学版 ）
２１ ０２年 ８月
Ａｕ ．２ １ ｇ ０２
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｓ ＯＵＴ ＣＨＩ Ｈ ＮＡ ＮＯＲＭＡＬ ＵＮＩ ＶＥＲＳ ｎＹ
第４ ４卷第 ３期
Ｖｏ ． Ｎｏ ３ １４４ ．
（ Ａ Ｕ ＡＬＳ ＩＮ ＥＥ ＩＩＮ） Ｎ ０２ ０ １０ ４ ３ ２ １ ）３—０６ ０ ０ ８— ３
Ｅ Ｒ等 离 子体 系统 中粒 子 沿微 管传 输 的研 究 Ｃ
杜金 菊 ，李 炜
（． １华南师范大学研究生处 ， 广东广州 ５０ ３ ； ． １６ １２ 华南师范大学物理与电信工程学 院 广东广州 ５０ ０ ） １０ ６
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 ceffv v v E E ωωωω [对比] B 0=022222~cc effv v EE +=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。
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。
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电子回旋共振等离子体
(Electron CyclotronResonance,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
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10TE ---〉圆波导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
r
N
170A 200A 240A 280A
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
磁钢
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
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
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。