ECR等离子体系统中粒子沿微管传输的研究
高电荷态ecr离子源的设计与实验研究
高电荷态ecr离子源的设计与实验研究
ECR离子源是目前研究离子束聚变的主要设备。
因为电离的原子
在电场中受到的束缚越强，对应的离子能量就越高，所以高电荷态的
离子聚集在中心区域变得更容易。
因此，高电荷态ecr离子源的设计
与实验研究被广泛关注。
在高电荷态ECR离子源的设计中，首要任务是选择合适的磁场和
射频场。
磁场主要是使电子在空间中发生加速和振荡，形成一个固定点，称为ECR峰。
射频场是用来加速等离子体并把电子从离子中去除，产生高电荷态的离子。
为了更好地控制这个过程，还需要在ECR离子
源中设计一些辅助设备，例如磁极、线圈和电源等。
基于上述考虑，我们设计了一种新型高电荷态ECR离子源，并实
施了实验研究。
我们首先设计了一个辣莎系统，利用辣莎的优越性能
将离子的电荷数减轻，从而能够更容易地探测和定位离子的峰值。
然后，我们引入强制超声波来产生微小的扰动，以此增强电流和电子寿命，进一步提高离子产生率和质量。
实验结果表明，我们设计的高电荷态ECR离子源具有高稳定性、
高产率和高效率等优点。
通过对离子源的磁场、射频场和辅助设备进
行多次调整和改进，我们成功地提高了离子的聚集效率和束流的质量。
这为后续的离子实验提供了坚实的基础和支持。
综上所述，在高电荷态ECR离子源的设计和实验研究中，重要的
是选择合适的磁场和射频场，并利用辅助设备来提高离子产生率和质量，从而实现高效率和高产量。
我们所实施的实验研究表明，高电荷
态ECR离子源具有广阔的应用前景和科研价值，对于推进离子聚变技
术的发展是具有重要的意义的。
ECR_PECVD制备Si_3N_4薄膜沉积工艺的研究
ECR 2PECV D 制备Si 3N 4薄膜沉积工艺的研究Ξ陈俊芳 吴先球 王德秋(华南师范大学物理系,广州 510631)丁振峰 任兆杏(中国科学院等离子体物理研究所,合肥 230031)(1998年8月25日收到)Ξ国家自然科学基金(批准号:69493501)及广东省自然科学基金(批准号:970317)资助的课题. 由偏心静电单探针诊断了电子回旋共振等离子体增强化学汽相沉积(ECR 2PECVD )反应室内等离子体密度的空间分布规律.结果表明在轴向位置Z =50cm 处,直径<12cm 范围内等离子体密度分布非常均匀.分析了等离子体密度径向均匀性对沉积速率均匀性和薄膜厚度均匀性的影响.讨论了沉积制备一定薄膜厚度的Si 3N 4薄膜的工艺重复性.研究了各种沉积工艺参数与Si 3N 4薄膜沉积速率的相互关系.得到了ECR 2PECVD 技术在沉积薄膜时的工艺参数条件.PACC :6855;8115H ;52701 引言目前,低温等离子体技术在材料科学、半导体微电子学和光电子学等领域的研究和加工中起重要作用[1—4].微波电子回旋共振等离子体增强化学汽相沉积(ECR 2PECVD )技术是低温等离子体加工方法中重要技术之一,它是在化学汽相沉积(CVD )的基础上发展起来的新技术.由于等离子体是不等温系统,其中“电子气”具有比中性粒子和正离子大得多的平均能量,电子温度为1—10eV ,约为气体分子的10—100倍,即反应气体接近环境温度,而电子的能量足以使气体分子的化学键断裂,并导致化学活性高的粒子(离子、活化分子等基团)的产生,亦即反应气体的化学键在低温下即可被分解,从而实现高温材料的低温合成[5,6].Si 3N 4薄膜材料是一种人工合成的精细陶瓷功能材料,它具有优良的抗冲击能力、耐高温、抗腐蚀、强度高等特点,在汽车工业、加工工业、微电子工业和光电子工业等方面已得到了广泛的应用[7—9].传统制备Si 3N 4薄膜方法的沉积温度高,对设备的耐温性能和加热方法有特殊的要求,限制了它的应用,ECR 2PECVD 能在较低沉积温度下制备优质均匀的Si 3N 4薄膜.Si 3N 4薄膜的性能取决于薄膜的形成过程,而薄膜的形成受到诸多因素的第48卷第7期1999年7月100023290/1999/48(07)/1309206物 理 学 报ACTA PHYSICA SIN ICA Vol.48,No.7,J uly ,1999ν1999Chin.Phys.S oc.影响[10].如基片沉积温度、基片在反应室内的位置、基片表面性质、反应室内等离子体密度、气体流量等.因此,要提高沉积薄膜的质量和性能,必须了解工艺过程和反应室参量对薄膜性质的影响,确定最佳工艺过程.本文主要研究了反应室内等离子体空间分布的均匀性对ECR 2PECVD 制备Si 3N 4薄膜厚度均匀性的影响,分析了沉积工艺(工作压力、气体配比、基片沉积温度、微波功率)与Si 3N 4薄膜沉积速率的关系,并讨论了制备Si3N 4薄膜的工艺重复性.2 实验装置与等离子体参数空间分布图1为制备Si 3N 4薄膜的ECR 2PECVD 装置图.主要由真空系统、配气系统、微波系统、励磁系统、反应室和基片加热系统以及静电单探针系统组成.真空系统由涡轮分子泵图1 ECR 2PECVD 装置原理图 1为微波源,2为真空系统,3为励磁系统,4为配气系统,5为反应室,6为基片加热系统,7为静电单探针图2 等离子体密度的空间分布和机械泵组成;配气系统由SiH 4,N 2气源和双路流量计组成;微波系统由600W 功率可调的微波源和微波输入匹配耦合器组成;励磁系统由励磁线圈和113×75—115×75A 直流电源组成;反应室由<12cm ×10cm的共振区和<1415cm ×70cm 反应区的不锈钢圆筒两部分组成;基片放置在轴向可移动、温度可调节的基片架上.图2给出当运行气压为8×10-3Pa ,微波功率为240W 时,由偏心静电单探针诊断获得的等离子体反应室内等离子体密度的空间分布.从图2可见,在反应室轴向位置Z =70cm 的共振区附近,径向R =0cm 的中心位置等离子体密度为812×1010cm -3.从微波窗口向抽气口方向过渡时,等离子体密度减小;在轴向位置Z =50cm 处,径向0131物 理 学 报48卷R =0—6cm 范围内等离子体密度很均匀,平均约为1179×1010cm -3.这说明在轴向位置Z =50cm 处的等离子体密度在直径<12cm 范围内分布均匀,有利于制备厚度均匀的薄膜.3 Si 3N 4薄膜样品的制备基片采用(111)单晶硅片、溴化钾(K Br )片和载波片.将基片作常规清洗后烘干装入沉积室进行薄膜沉积.在本底真空好于2×10-3Pa 时,将SiH 4和N 2作为反应气体,经双路流量计送入等离子体反应室内.在ECR 等离子体的激活下,进行化学反应,反应方式为3SiH 4+2N 2+e 等离子体Si 3N 4↓+6H 2↑+e.(1)在基片上沉积出Si 3N 4薄膜.4 实验结果与讨论411 Si 3N 4薄膜的沉积速率与工作气压的关系实验使用80%N 2稀释的SiH 4气体为反应气体(即SiH 4∶N 2配比为1∶4),反应气体经流量计送入反应室,调节气体流量可在不同工作气压下沉积Si 3N 4薄膜.图3给出沉积图3 Si 3N 4薄膜的沉积速率与工作气压的关系速率与工作气压的关系曲线.从图3可见,当工作气压上升时,沉积速率逐渐增高,当工作气压从6×10-2Pa 升至9×10-2Pa 时,沉积速率从15nm/min 增至28nm/min ,增高较快,当工作气压为8×10-2Pa 时,沉积速率为26nm/min 左右,当工作气压从9×10-2Pa 增至3×10-1Pa 时,沉积速率从28nm/min 增至32nm/min ,增高较慢.这是因为工作气压从低气压处开始上升时,反应室内参与反应的气体增加,使到达基片表面的反应产物增多,同时气压适当提高,反应室内的等离子体密度增大,反应气体中活性粒子增多,从而得到高的沉积速率.但当工作气压进一步上升到较高值时,等离子体密度增加不大,在一定的工作气压下反而会减小[11,12],使反应气体活性变弱,导致在高气压范围沉积速率增高较少.412 Si 3N 4薄膜的沉积速率与进气配比的关系利用双路流量计将80%N 2稀释的SiH 4同N 2以不同配比的SiH 4∶N 2气体送入反应室内.分别调节SiH 4和N 2的流量,得到SiH 4∶N 2的进气配比为1/4,1/6,1/8,1/10,1/12.在沉积过程中保持工作气压为8×10-2Pa ,在不同进气配比条件下沉积Si 3N 4薄膜.图4给出沉积速率与进气配比的关系.从图4可见,随进气配比的变小,沉积速率逐渐11317期陈俊芳等:ECR 2PECVD 制备Si 3N 4薄膜沉积工艺的研究降低.在高进气配比1/4处沉积速率为26nm/min 左右,在1/6处沉积速率为24nm/min 左右,在1/8处沉积速率为22nm/min 左右.进气配比从1/4降到1/8范围内,沉积速率图4 Si 3N 4薄膜的沉积速率与进气配比的关系降低较慢.在1/8到1/12低进气配比范围内,沉积速率降低加快.在进气配比为1/10处沉积速率为18nm/min 左右,在进气配比为1/12处沉积速率为125nm/min 左右.这是因为在一定的工作气压下,SiH 4∶N 2进气配比降低时,反应室内SiH 4含量减少,使Si 3N 4的生成产物降低所造成。
单电荷态电子回旋共振离子源 丁俊章 赵玉彬 刘占稳 赵红卫 袁 平 曹
第一作者:丁俊章,男,1975年出生,2000年7月从中国科学院近代物理研究所核技术及应用专业硕士生毕业收稿日期:1999-08-16,修回日期:2000-04-302.45GH z 单电荷态电子回旋共振离子源丁俊章 赵玉彬 刘占稳 赵红卫 袁 平 曹 云 雷海亮张子民 张雪珍 张 汶 郭晓虹 王 辉 冯玉成李锦玉 马保华 高级元 宋 沛 李锡霞(中国科学院近代物理研究所 兰州 730000)摘要 描述了一台2.45GHz 单电荷态电子回旋共振(ECR )离子源的原理、结构与应用。
介绍了其微波系统与磁场结构。
在微波输入功率约600W ,引出高压22kV ,引出孔径为<6mm 时,该离子源的总束流I (H 1++H 2++H 3+)可达90mA 。
关键词 ECR 离子源,微波,等离子体频率,永磁体中图分类号 TL503.3电子回旋共振(ECR )离子源是一种无阴极源。
它具有电离度高,形成的等离子体密度高,束流强度大,性能稳定可靠等优点。
对2.45GHz 全永磁单电荷态ECR 源,所用微波频率在工业通用频率段,无需强的共振磁场,采用永磁体减小了源体的体积。
这些特点不仅降低了离子源造价,而且能长期提供稳定的高品质离子束。
在离子注入、离子刻蚀、薄膜技术、辐照育种、材料表面改性、离子束沉积等工农业、医学与科研领域得到广泛的应用。
1 离子源的结构及原理离子源的结构如图1所示。
等离子体弧腔采用双层结构,用去离子水循环冷却,内径为7cm ,长7cm 。
引出采用加速-减速电极系统,加速和减速间隙分别为6mm 和3mm 。
产生的单电荷态离子先经过<6mm 单孔等离子体电极,再通过吸极引出。
吸极加负电位,它与地极之间的电场可阻止束流路径中的电子被反向加速至离子源内。
工作气体通过微波窗旁两个进气孔进入腔体。
在离子源腔体内,轴向磁场由永磁铁与三个辅助线包产生,当馈入微波频率与电子在磁场中的拉摩回旋频率相等时会产生共振,电子获得能量,从而使腔体内的工作气体电离形成等离子体。
电磁波在等离子体中的传播
电磁波在等离子体中的传播饶玉柱;周宇云【摘要】由于等离子体的广泛存在,研究电磁波在其中的传播特性就尤为重要.本文对相关的等离子体的特性进行了定性的描述和并列举了相关定量计算公式.分类讨论了无界/有界情况下比较了电磁波传播的特点并做了总结.【期刊名称】《中国电子科学研究院学报》【年(卷),期】2016(011)006【总页数】4页(P614-617)【关键词】等离子体;电磁波;传播;有界/无界【作者】饶玉柱;周宇云【作者单位】中国电子科学研究院,北京100041;中国电子科学研究院,北京100041【正文语种】中文【中图分类】V237等离子体是由处于在非束缚态的带电粒子组成的多粒子体系。
它和气体、液体、固体一起构成了自然界物质在同一层次上的四大基本形态。
等离子体是由离子、电子以及中性粒子组成，其中离子和电子所带的正、负电荷数是近似相等的，因此整体接近呈电中性。
等离子体中的处于非束缚态的带电粒子极易受到各种内部自洽电磁场和外部所加电磁场的影响，这使得等离子体的介质电磁性质与其他三态显著不同，不能够通过简单的电极化和磁化强度来描述，而需要将其状态演化方程组和麦克斯韦方程组相耦合来描述。
等离子体在自然界中广泛存在，例如恒星内部、恒星附近、气态的星云和大量的星际氢太阳风都是等离子体，它们约占整个宇宙的99%，地球周围大气层中距地面约50至500千米处的电离层是与人类关系最密切的巨大等离子体。
在天体物理，无线电空间通讯等技术中，研究等离子体的性质特别是研究现代通信中的主要载体电磁波在等离子体中的传播特性具有均有非常重要的意义。
在很多场合下，常遇到电磁波在等离子体中的传播问题。
最重要的情形有:A.无线电波在地球电离层中传播B.各种低频波在电离层，外逸层的传播C.宇宙中的射电波在太阳大气，星云，星际空间和行星星际空间中的传播D.等离子体波在宇宙条件下(如在日冕内)和地球电离层中的传播。
E.自发产生的闪电、极光等现象F.人工等离子体，如电弧放电、气体激光器、电离气体等等离子体的特性与其他三态显著不同，与电磁波传播有关的主要几条性质有：(1)它的参数(如温度、粒子密度等)有很大的变化范围(密度可以从103 m3～1033 m3，温度可以从102 K～109 K)，往往分布不均匀；(2)较容易成为介电常数等于或几乎等于零的弱吸收介质；(3)有相当大的频率色散(介电常数依赖于频率)，(4)在恒定磁场中其性质发生显著变化(即使磁场很微弱)(5)即使在简单均匀的电场中，等离子体的电磁性质也出现非线性……这些特性给我们定量的分析等离子体中电磁场带来了困难，但我们可以从统计物理上的平均角度来对其进行定量分析。
磁场位形对微波ECR等离子体电子参数的影响
磁场位形对微波ECR等离子体电子参数的影响沈武林;马志斌;谭必松【摘要】测量了两种磁场位形中微波ECR等离子体的电子参数,研究了磁场位形对电子参数空间分布的影响,结果表明:发散场中电子温度在轴心和腔体边缘较大,在过渡的中间区域较小,而磁镜场中电子温度随径向半径R的增大单调减小;电子密度在两种磁场位形中随径向和轴向距离的增大均呈单调下降的趋势,磁镜场中的下降幅度大于发散场;在共振面附近,发散场中气压对电子温度的影响比在磁镜场中大,而气压对电子密度的影响在两种磁场位形中基本相似.【期刊名称】《武汉工程大学学报》【年(卷),期】2010(032)009【总页数】5页(P53-57)【关键词】ECR等离子体;发散场;磁镜场【作者】沈武林;马志斌;谭必松【作者单位】武汉工程大学材料科学与工程学院,武汉工程大学湖北省等离子体化学与新材料重点实验室,湖北,武汉,430074;武汉工程大学材料科学与工程学院,武汉工程大学湖北省等离子体化学与新材料重点实验室,湖北,武汉,430074;武汉工程大学材料科学与工程学院,武汉工程大学湖北省等离子体化学与新材料重点实验室,湖北,武汉,430074【正文语种】中文【中图分类】O5390 引言微波电子回旋共振(ECR)等离子体以其高密度、低温、能量转换率高、无电极等优点已成功地应用于材料表面处理、刻蚀、薄膜制备等微电子工业中[1-3].ECR等离子体中电子参数对上述应用有直接的影响,因此研究ECR等离子体中的电子参数对其应用研究具有十分重要的意义.等离子体参数的测量方法有很多种,Langmuir探针是一种既简单方便,准确性又较高的方法[4].根据探针的测量,可以实时地反馈调节等离子体参数,以达到所要求的等离子体.磁场是微波ECR等离子体产生的基本物理因素之一,不同的磁场位形将直接影响ECR等离子体的参数和性能,因此研究磁场位形对微波ECR等离子体参数的影响对其可控利用有重要作用.目前微波ECR等离子体的研究中,磁场位形较多都利用发散场[5-6],结合磁镜场来研究等离子体参数的工作还比较少.本文分别在发散场和磁镜场条件下,测量了微波ECR等离子体电子参数,研究了两种磁场位形对微波ECR等离子体电子参数的影响,并分析了其影响机制.1 实验装置1-微波源,2-环形器,3-三销钉匹配器,4-耦合天线,5-挡板,6-石英窗口,7-磁场线圈,8-测量窗口,9-基片台,10-真空系统,11-通气孔图1 ECR装置示意图Fig.1 Schematic diagram of an ECR plasma reactor图1为自行研制的微波ECR等离子体装置示意图.微波源产生2.45 GHz微波,由矩形波导传输,经天线耦合到圆波导,并通过石英窗口馈入真空室内.磁场系统由四组沿轴向可调的线圈和三台直流电源组成,为ECR等离子体提供所需的磁场,磁场强度由高斯计测量,本实验所使用的两种磁场位形如图2所示.实验所使用的工作气体为氧气,经过质量流量控制器和通气孔导入真空室.真空系统由机械泵和涡轮分子泵组成,实验本底真空为3×10-3Pa.图2 发散场和磁镜场的中心轴向位形图Fig.2 The axial profiles of divergence and mirror magnetic field at the center实验采用Langmuir双探针测量等离子体电子参数,双探针所用的钨丝直径为0.5 mm,裸露的探头长度为5.3 mm,探针沿腔体径向的深度可以调节,最大调节范围为4 cm.测量时将双探针悬浮于等离子体中,工作电压加在两探针之间,测量工作电流Ip随两探针之间电压Vp的变化,就得到双探针的伏安特性曲线,其测量原理如图3所示.通过伏安特性曲线得到dU/dI和Ii0的值,当两探针完全相同时,Ii01=Ii02=Ii0,代入(1)式可求得电子温度Te,然后将电子温度值与饱和电流值代入(2)式可求得电子密度ne[7].(1)(2)式中:Ii0为离子饱和电流,mi为离子质量,Si为探针表面积.图3 双探针测量原理图Fig.3 Schematic of double Langmuir probe diagnostics system本实验采用型号为PAM-M2/100G的静电探针自动测量系统与双探针相结合来测量ECR等离子体的电子参数,它能在10 s内完成一次扫描,并且提高了测量的准确性.2 结果分析与讨论2.1 电子参数的空间分布实验利用双探针分别在径向R=0,1,2,3,4 cm和轴向Z=15.3,17,18,19.8,21 cm(轴向将石英窗口处设为Z=0,微波沿Z轴正向传播)处测量了两种磁场位形中ECR微波等离子体的电子温度和密度,测量时微波功率为800 W,工作气压0.05 Pa,氧气流量标准状态下5.0 cm3/min,将测量的结果拟合为三维曲线,如图4、5所示.图4 ECR微波等离子体的电子温度空间分布图:(a)发散场;(b)磁镜场Fig.4 The spatial distribution diagram of microwave ECR plasma electron temperature图4(a)、(b)分别为发散场和磁镜场位形下等离子体的电子温度空间分布图,两者共振面均位于Z=15.3 cm处.从电子温度的空间变化趋势看,发散场和磁镜场中的电子温度在共振面过后沿微波传输方向均缓慢降低,如轴线上(R=0 cm),沿轴向15.3 cm到21 cm发散场中电子温度从9.23 eV降到7.94 eV,磁镜场中电子温度从7.56 eV降到5.19 eV.在两种磁场位形中,电子温度沿微波传输方向不断减小有两方面的原因:一方面是ECR等离子体中,微波能量主要在共振面处被等离子体吸收,在共振面处带电粒子有最高的能量;另一方面是由于等离子体沿着轴向扩散时,电子与中性粒子的碰撞使电子能量逐渐损失所导致.两种磁场位形中,电子温度沿径向的变化规律明显不同.磁镜场中电子温度随径向半径R的增大单调减小,而发散场中电子温度在轴心和腔体边缘较大,在过渡的中间区域较小,电子温度在靠近腔壁处反常升高.发散场中电子温度在腔壁附近增加,主要是由于发散磁场位形下,磁场对等离子体的约束较弱,边缘处等离子体中的电子撞击腔壁而损失,使得腔壁附近形成较强的等离子体鞘层,该鞘层作用于等离子体内部的电子,导致腔壁附近电子温度较高.在磁镜场中,电子受到磁场的约束作用较强,磁镜效应使大部分电子被束缚在R较小区域内[8],这样就使碰撞腔壁而损失的电子少,等离子体鞘层作用影响较小,因此腔壁附近电子温度较低.从电子温度值的分布上看,在共振面的轴心处,两种磁场位形下的电子温度相近,是由于该处的电子温度主要决定于微波功率和工作气压.而在R较大的区域,发散场中的电子温度明显大于磁镜场,这是因为磁镜场中电子受磁镜的束缚,集中在R较小的区域,大部分高能电子由于非弹性碰撞损失能量而变成低能电子,因此电子温度相对较低.图5 微波ECR等离子体的电子密度空间分布图:(a)发散场;(b)磁镜场 Fig.5 The spatial distribution diagram of microwave ECR plasma electron density图5(a)、(b)分别为发散场和磁镜场位形下等离子体的电子密度空间分布图.从图中可以看到,电子密度在两种磁场位形中随径向和轴向距离的增大均呈单调下降的趋势,如在共振面(Z=15.3 cm),发散场中电子密度从R=0 cm的4.45×1010 cm-3下降到R=4 cm的1.02×1010 cm-3,磁镜场中电子密度由R=0 cm处的9.77×1010 cm-3下降到R=4 cm处的2.96×1010 cm-3.不同的是,发散场中电子密度随径向半径R的变化较小,特别是当Z=21 cm时,电子密度几乎不随R的变化而改变,其值都在0.9×1010 cm-3左右,而磁镜场中电子密度在共振面中心明显较大,沿径向和轴向距离的增加均有快速下降.发散场中电子密度的分布,在共振面附近是由粒子碰撞和梯度磁场共同作用所导致的,随着轴向的延伸,梯度磁场的作用逐渐减弱,主要由粒子碰撞影响其分布,电子与中性气体分子或离子的碰撞在传递能量的同时,使电子密度随径向变化很小[9].在磁镜场中磁镜作用使大量的电子被约束在共振区,导致电子密度随径向和轴向距离的变化较大.另外,从图中各轴向位置还可以看到,在R较小的区域电子密度在磁镜场大于其在发散场,而在腔体边缘则小于其在发散场,这也是磁镜效应所导致的结果.2.2 气压对电子参数的影响实验在同一位置(Z=15.3 cm,R=0 cm)相同磁场强度(B=0.087 5 T)下,利用双探针测量了两种磁场位形中不同气压下(分别为0.05,0.1,0.2,0.5,0.8 Pa)的电子参数,结果如图6所示.图6 在两种磁场位形中气压对电子参数的影响:(a)电子温度;(b)电子密度 Fig.6 Dependence of ECR plasma parameters on work pressure in the two magnetic fields测量时微波功率为800 W,氧气流量标准状态下5.0 cm3/min.图中电子参数随气压的变化规律在两种磁场位形中基本相同,电子温度均随气压的增加而减小(发散场中电子温度从0.05 Pa的9.23 eV降低到0.8 Pa的5.13 eV,磁镜场中电子温度从0.05 Pa的7.56 eV降低到0.8 Pa的5.53 eV),电子密度随气压的增加先增大后减小(两种磁场位形中,电子密度均在0.2 Pa左右达到最大),这是因为气压增加,中性气体密度增大,电子与中性粒子的电离碰撞频率增加,电子密度增大,同时由于碰撞频率增加导致电子温度下降;而随着气压的继续增加,电子平均自由程逐渐变短,电子在两次碰撞之间吸收的微波能量减少,电子温度降低,导致气体电离率下降,造成等离子体密度随之下降[10].另外,发散场中气压对电子温度的影响比磁镜场大.这是因为发散场中电子的扩散与碰撞主要受气压影响,而磁镜场中电子的扩散与碰撞不仅受气压影响,而且受磁镜场的影响,因此当气压变化时,磁镜场中的电子温度受气压的影响也相对较小.3 结语实验测量分析了两种磁场位形中微波ECR等离子体的电子参数,结果表明:a. 发散场中电子温度在轴心和腔体边缘较大,在过渡的中间区域较小,而磁镜场中电子温度随径向半径R的增大单调减小;在共振面的轴心处,两种磁场位形下的电子温度相近,而在R较大的区域,发散场中的电子温度明显大于其在磁镜场.b. 电子密度在两种磁场位形中随径向和轴向距离的增大均呈单调下降的趋势,磁镜场中的下降幅度大于发散场;在R较小的区域电子密度在磁镜场大于其在发散场,而在腔体边缘则小于其在发散场.c. 在共振面附近,发散场中气压对电子温度的影响比在磁镜场中大,而气压对电子密度的影响在两种磁场位形中基本相似.本文主要讨论了两种磁场位形对微波ECR等离子体电子参数的影响,对于其他磁场位形以及在这些位形中离子参数的分布情况还需要进一步研究.参考文献:[1]孙剑,吴嘉达,钟晓霞,等.ECR等离子体对单晶硅的低温大面积表面处理[J].半导体学报,2000(10):1019-1023.[2]宁兆元,程珊华.微波ECR等离子体技术及其在材料加工中的应用[J].微细加工技术,1995,1:38-44.[3]张继成,唐永建,吴卫东.电子回旋共振微波等离子体技术及应用[J].强激光与粒子束,2002(4):566-570.[4]陶孟仙.等离子体特性的静电探针测量技术[J].佛山科学技术学院学报,2000,18(3):11-15.[5]Si-Lie Fu, Jun-Fang Chen, She-Jun Hu, et al.Study on the characteristics of ECR plasma spatial distribution[J].Plasma Sources Science and Technology，2006(15)：187-192.[6]张洪宾,陈俊芳,符斯列,等.微波电子回旋共振等离子体放电特性研究[J].华南师范大学学报,2009(2):48-52.[7]许沭华,任兆杏,沈克明.射频偏置ECR-PECVD等离子体参数测量[J].核聚变与等离子体物理,2004(1):63-66.[8]Hiroshi Muta,Nao Itagaki,Mayyuko Koga,et al. Gengeration of a low-electron-temperature ECR plasma using mirror magnetic field[J].Surface and Coatings Technology,2003(174/175):152-156.[9]Jun-Fang Chen, Si-Lie Fu, Xiu-qiong Lai, et al. Characterization of spatial plasma distribution in a divergence-type ECR-PECVDsystem[J].Vacuum,2006，81:49-53.[10]谭必松,马志斌,吴振辉.微波ECR氧等离子体参数的测量[J].武汉工程大学学报:2009,31(5):51-53.。
ECR新型低温等离子体技术及应用
射捌恼显
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（） 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 。
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【 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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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
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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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
非线形系统的输运和扩散现象 ， 计算和模拟等离子 体系统 中的传输和分布． 在各种等离子体系统中， 电子 回旋共振 （ Ｃ ） Ｅ Ｒ 其 中 ， 表 轴 向坐标 ， 系统 阻尼 系数 ， 代 为 曰是粒 子 等离子体具有独特的优点 ： 等离子体密度高 ， 无 受到的由磁场 引起 的沿 方 向的正向作 用力 ， 是 ｋ 内电极放 电， 没有污染 ； 磁场约束 ， 减少 了等离子体 玻耳兹曼 常数 ， 是 温度 ， ｔ是 一个 指 数 关联 形 的 （） 与器壁的作用 ； 的放电气压 ； 低 能量转换率高 ， 电离 高斯白噪声 ， 其满足相关函数 ： （） ｔ ＞ ２ （ — ＜ ￡ ’ ＝ ８ｔ （ ） 度高 ； 等离子体发生区与样品台分开 ， 使轰击样品表 ｔ）６ 是 Ｄｒｃ函数 ， ，（） ｉ ａ 它来 自环 境对 粒 子 的无 规 碰 面的荷电粒子能量和流量可以独立控制 ； 低温下激发 撞． ｔ是 一 个 沿 着 方 向 的不 对 称 周 期 外 场 力 ， Ｆ（） 的高密度活性基有利于高温材料的低温合成． Ｃ Ｅ Ｒ等 它满 足 ： １ 一 ＾ 离子体化学气相沉积（ Ｃ Ｐ Ｃ Ｄ 采用 Ｅ Ｒ等离 Ｅ Ｒ— Ｅ Ｖ ） Ｃ 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 Ｅ Ｒ等离子体的等离子体密度大的优点在 Ｃ ｎ ＋ ． （ 占 ≤ ≤（ ０ ５ １＋ ） ｎ＋１ ｆ ）， 样 品台附近获得大量 的等离子体活性 自由基 ， 使得 在 其 中 ，是不 对称 力 的周期 ， 是 ， ｔ的最 大 幅度 ， ｆ （） 相对低温下在样品表面发生物理化学反应生成高质 是一个在［ １ １ 区间可变的对称系数 ， 一 ，］ 微管的形 量的薄膜 ， 了 目前有机金 属化学气 相沉积 方法生 状 由半 径 函数 ∞（ 克服 ）＝ ａ来 描述 ， 常数． ａ取 沿微 管表 面 的粒子 运动 状态 还可 以 由 Ｆｋ ｅ — ｏｋｒ 长薄膜温度高、 工艺复杂和成本高的缺点 ． ｎ ｋ方程 来 描述 ｊ ： 本文研究了在一个 Ｅ Ｒ等离子体系统中 ， Ｃ 通过 Ｈａ ｃ
摘要 ： 建立了一个 等离子体 系统 内粒子传输模型 ， 究在 一个 Ｅ Ｒ等离子体 系统 中， 研 Ｃ 如何通 过某 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． 此模型 中， 非平衡 热涨 落、 在 在 磁场作 用和 外场力 等因素 的综合作用 和 共 同驱 动下 ， 到一个净 几率流 Ｊ 当这些 因素彼此竞争彼此作用 时 ， 随着某个 参数 的改变而发生方 向改变． 得 ， ． ， 此外 ，
通过理论模型 的计算 ， 到了 ＿关于不 同参数的相关函数． 得 ， 关键词 ： 等离子体 ； 输；驱动 因素 传
中图分 类号 ：５ ０３
文献标 志码 ： Ａ
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输 运 过 程 在 等 离 子 体 系 统 中 占有 很 重 要 的 地
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收 稿 日期 ： ０ ２一Ｏ ２１ １—１ ６
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第 ３期
杜金 菊等 ： Ｃ Ｅ Ｒ等 离子体 系统 中粒子沿微管传输的研 究
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