磁场位形对微波ECR等离子体电子参数的影响
第３２卷第９期 ２０１０年Ｏ９月 武汉工程大学学报 Ｊ． Ｗｕｈａｎ Ｉｎｓｔ．Ｔｅｃｈ． Ｖｏ１．３２ Ｎｏ．９ Ｓｅｐ． ２０１０
文章编号：１６７４—２８６９（２０１０）０９—００５３—０５
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
（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）
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． 关键词：ＥＣＲ等离子体；发散场；磁镜场 中图分类号：Ｏ５３９ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—２８６９．２０１０．０９．０１５
０ 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＿】＿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［ｓ ］，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
图１为自行研制的微波ＥＣＲ等离子体装置 １一微波源，２一环形器，３三销钉匹配器，４一耦合天线，５一挡板， ６一石英窗口，７－磁场线圈，８ 测量窗口，９－基片台，１Ｏ一真空系统，１１一通气孔 图１ ＥＣＲ装置示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ａｎ ＥＣＲ ｐｌａｓｍａ ｒｅａｃｔｏｒ 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，并通过石英窗口馈人 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～Ｐａ． 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
收稿日期：２０１０—０４—２９ 基金项目：国家自然科学基金（１０８７５０９３） 作者简介：沈武林（１９８５一），男，四川乐山人，硕士研究生．研究方向：等离子体技术与薄膜材料 指导老师：马志斌，男，博士，教授．研究方向：
低温等离子体技术及其应用．＊通信联系人 ５４ 武汉工程大学学报 第３２卷
Ｏ １６ Ｏ １４ ０ １２ 窳０ １０ 醴Ｏ ０８ ０６ ｏ ０４ Ｏ Ｏ２ Ｏ 轴向位置／ｃｍ 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 的探头长度为５．３ ｍｌＴｌ，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Ｉ 随两探针之间电压 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 的值，当 两探针完全相同时，Ｊ ：＝＝ 一Ｊ 代人（１）式可求
得电子温度 ，然后将电子温度值与饱和电流值 代人（２）式可求得电子密度７２ Ｌ７］．
ｄＵ —ｋ Ｔ ㈩ ｌ ｊ一０ ＋Ｉ姗 …
Ｉｉｏ ０．６ Ｓｉ√ （２）
式中： 为离子饱和电流，ｍ 为离子质量，Ｓ 为探 针表面积．
—— ’厂 ’
（ ／７７ｘ ’
ＩＨｌ
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—Ｏ，１，２，３，
４ Ｃ１ＴＩ和轴向ｚ一１５．３，１７，１８，１９．８，２１ ｅｒａ（轴向将
石英窗口处设为Ｚ一０，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 ｃｍ。／ｍｉｎ，将
测量的结果拟合为三维曲线，如图４、５所示． 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一１５．３ 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一 ０ ｃｒｎ），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
ｆｂ１ 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 第９期 沈武林，等：磁场位形对微波ＥＣＲ等离子体电子参数的影响
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（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
（ｂ） 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 增大均呈单调下降的趋势，如在共振面（Ｚ一 １５．３ ｃｍ），发散场中电子密度从Ｒ＝＝＝０ Ｃ１ＴＩ的
４．４５×１０ ｃｒｎ 下降到Ｒ一４ ｃｍ的１．０２ ｘ １０ ｃｍ＿。，磁镜场中电子密度由Ｒ一０ ｃｍ处的
９．７７×１０ ｃｍ 下降到Ｒ一４ ｃｒｎ处的２．９６× １０ ｃｍ－。．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×
１０ ＣｌＴＩ 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＿ｇ］．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一１５．３ ＣＩＴＩ，Ｒ一０ ｃｒｎ）相同 磁场强度（Ｂ一０．０８７ 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．
Ｐ／Ｐａ （ｂ） 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 ｆｉｅｌ
ｄｓ 武汉工程大学学报 第３２卷
测量时微波功率为８００ Ｗ，氧气流量标准状 态下５．０ Ｃ１ＴＩ。／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＿１ ｏ一】．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
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。不管是ECR源还是RF源还是
等离子体共振
- 1 - 等离子体共振
等离子体共振(plasmaresonance,PR),也称为电离室共振或磁控放电共振（magnetron-controlleddischargeresonance,MCD）是一种由非常薄的等离子体层构成的放电装置，其特征可用来提供频率，功率和功率调制响应。它可以在室内控制等离子体放电，改变等离子体层的特征，从而获得不同的频率和功率响应。它可以用于传输消息，检测频率以及其他仪器应用。
等离子体共振的原理是等离子体层在一个有磁场的外围支撑的情况下产生的激励。激励可以通过电场、脉冲或频率调制来产生，从而使等离子体层共振。当磁场和电场强度不在调节范围内时，等离子体层就会产生共振。当共振现象发生时，由等离子体产生的功率和频率共振都将受到影响，而改变的幅度将取决于磁场、温度和电场的强度。
等离子体共振的优点有很多，其中最重要的有：高能效率、高频率响应和能够提供多种模式的等离子体层可操控性。它可以提供高效的功率调制响应，使得它非常适合用于消息传输和电路中的频率探测器，以及提供高量子效率的高功率输出，例如用于微波加热和橡胶烘烤。
等离子体共振在仪器应用中占据重要地位，它可以用来测量和控制等离子体放电，检测特定频率，还可以用于生物传感和定位技术。等离子体共振电路中的参数也可以在实验室中调节，这将有助于改变实验设计，从而获得最佳的结果。 - 2 - 此外，等离子体共振也可以用于电磁安全测试，用于捕获和检测特定频率的信号，以及用于低温贴片设备的测试。它还可以用于改变功率调制的参数，使得它可以被应用于电子学，航空航天，无线电通信，船舶，电力系统以及许多其他领域。
综上所述，等离子体共振是一种非常有用的电离室共振技术，其特征可以用来提供频率，功率和功率调制响应。它有很多应用，包括电磁安全测试，生物传感和定位技术，低温贴片设备的测试，消息传输和频率探测器等等，都具有很高的效率和功率调制响应。因此，等离子体共振技术将继续在仪器应用中发挥重要作用。
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JournalofGuangdongPolytechnicNormalUniversityNo．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：O434.14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:ElectronCyclotronResonance)、射频感应耦合等离子体（ICP：InductivelyCoupledPlasma）、螺旋波等离子体(HWP:HeliconWavePlasma).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第1期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］.
等离子体临界密度ncr
等离子体临界密度ncr
“等离子体临界密度ncr”是一个有关等离子体物理学的重要概念。在本文中，我将一步一步地解释等离子体临界密度ncr的含义、计算方法以及其在等离子体物理学中的应用。
首先，我们需要了解什么是等离子体。等离子体是一种类似于气体的物质状态，其中的原子或分子被高能电子击出了一个或多个电子，从而导致了正电荷离子和自由电子的存在。等离子体内的电子和离子可以自由运动，表现出类似于气体的流体性质，被广泛应用于物理、化学和工程等领域。
等离子体临界密度ncr是一个与等离子体的光学性质相关的参数。它被定义为等离子体中的电荷密度达到临界值时，导致等离子体出现明显光学效应的临界电荷密度。当电荷密度小于ncr时，等离子体对光的吸收和散射较弱，可以看作是具有较低折射率的透明介质。而当电荷密度大于ncr时，等离子体对光的吸收和散射会显著增强，表现出不同于普通气体的非线性光学性质。
计算等离子体临界密度ncr需要考虑等离子体中的电荷密度以及电子的种类和能级结构等因素。一般来说，等离子体临界密度可以通过下述公式计算：
ncr = (ε0 * me * ωp^2) / (e^2)
其中，ε0为真空介电常数，me为电子的质量，ωp为等离子体的等离子体频率，e为元电荷。等离子体频率ωp可以通过等离子体中的自由电子密度ne和电子质量me计算得到：
ωp = sqrt((ne * e^2) / (ε0 * me))
通过这些参数的计算，我们就可以得到等离子体的临界密度ncr。
等离子体临界密度ncr在等离子体物理学中有着广泛的应用。首先，它可以用于研究等离子体与激光相互作用的过程。当激光束穿过等离子体时，等离子体的电荷密度将影响激光的吸收、散射以及传播速度等光学性质。通过控制等离子体的电荷密度，我们可以调节激光与等离子体的相互作用效果，实现对激光束的调制和控制。
此外，等离子体临界密度ncr也可以用于等离子体在磁场中的研究。等离子体中的电荷粒子在磁场的影响下，会产生震荡和旋扭现象。等离子体临界密度ncr可以用来判断等离子体在给定的磁场条件下是否发生了震荡和旋扭。这对于等离子体的稳定性研究以及等离子体工程中的设计和应用都有着重要意义。
真空放电中磁场对等离子体生成特性的影响
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟
真空放电中磁场对等离子体生成特性的影响
本文针对锥-筒、锥-螺旋电极结构，通过 Ansoft Maxwell 3D 电磁场仿
真软件，分析了放电时，两种电极内部的电场分布与磁场分布。通过朗缪尔探
针法，对真空放电生成的等离子体参数进行了测量，重点讨论了电极内部磁场
对等离子体生成密度的影响。在上述讨论的基础上，针对锥-螺旋电极，进一步
分析了螺旋电极的螺距对电极间的电磁场分布及等离子体生成和传播特性的影
响。
实验及仿真结果表明，锥-螺旋电极较传统的锥-筒电极，可以获得较高密
度的金属等离子体。放电电流在螺旋状电极内部产生的磁场，对向四周扩散的
等离子体有一定的约束作用，适当减小螺旋电极的螺距，既可以增大阴极尖端
的电场强度，同时可以有效增大螺旋电极内部的磁场强度，更易于在电极轴向
获得更高密度的等离子体。
真空放电实际上是真空环境中产生的金属蒸汽弧放电现象。通过消耗阴
极，电弧点火后会产生金属蒸汽。蒸汽被部分离子化，这种金属等离子体具有
很高的能量，具有独特的性质。利用离子喷射产生的动能，真空放电等离子体
被应用于很多领域。应用于离子注入技术，它可以改变物体表面的组织结构，
提高耐磨性和耐腐蚀性等物理化学性质。应用于宇宙空间微小卫星推进系统
中，可以利用电极产生的金属等离子体作为推进器的动力源。真空技术网
(chvacuum/)认为这种等离子体推进器与传统的化学推进器相比，具有质量轻，
体积小，效率高等特点。
本文结合前期研究成果，在锥- 筒电极的基础上，提出了一种锥- 螺旋状
放电电极。运用仿真与实验相结合的方法，讨论了两种放电电极间的电磁场分
微波ECR等离子体化学气相沉积GaN薄膜的特性研究
微波ECR等离子体化学气相沉积
GaN薄膜的特性研究
1
陈俊芳，符斯列，吴先球，何琴玉，叶穗红，张茂平，胡社军
华南师范大学物理与电信工程学院 广州石牌 510631
摘要：首先使用朗缪尔单静电探针测量并分析了轴对称发散磁场型ECR-PECVD装置反应室内
ECR氮等离子体的空间分布,获得优化的等离子体工艺条件。然后采用ECR等离子体增强有机
金属化学气相沉积法在T=450℃条件下在α-Al
2O
3（0001）面上低温生长了GaN薄膜，XRD显示
GaN薄膜 的（0002）峰位置为2θ
=34.75°，半峰宽为18'。说明了微波ECR-MOPECVD法具有
在低温下生长GaN薄膜的优势。
关键词：ECR等离子体；ECR-PEMOCVD；GaN薄膜
1．实验设备和薄膜生长过程
作为第三代半导体材料的GaN基蓝光薄膜材料，由于其宽禁带、高亮度、低能耗，并因其
和红光、绿光一起构成白光的三基色，在平板显示、光存储、蓝光激光器和功率晶体管等光
电子领域将发挥广泛的应用[1~3]
。预计到2006年将达到30亿美元的产值，占化合物半导体
市场总额的20％，成为半导体光电材料工业的主流材料。
根据电子回旋共振吸收微波原理产生的微波电子回旋共振等离子体增强有机金属化学气
相沉积（ECR-MOPECVD）技术具有等离子体密度高、电离度高、无内电极放电、无高能离子、
易于大面积均匀沉积等优点。可在低温乃至室温下制备优质、均匀、结构致密的薄膜材料[4~5]
。
ECR-MOPECVD法能够在400~600℃的低温下生长GaN薄膜，因此减少了晶格缺陷的产生。
电子回旋共振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、无碰撞加速而获得的能量大于离子获得的能量，使得既使在接近常温下，如果
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
B0 0 ≠
()()⎥⎥
⎦⎤
⎢⎢
⎣⎡
+−+
++=222222211
2~
ccccceffvvvEE
ωωωω
[对比] B0=0
22222~
cceffvvEE
+=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/me =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: nR =∞)
ω2pe/ω2 =1-ωce/ ω (截止条件: nR =0)
1 2 a b
a 衰 减 区R共 振
R 截 止 ωce/ω
ω2ce/ ω21
----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ncrit = nc (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
等离子的磁场实验报告
一、实验目的
1. 理解等离子体在磁场中的运动规律；
2. 掌握利用磁场约束等离子体的方法；
3. 研究等离子体在磁场中的特性，为等离子体应用提供理论依据。
二、实验原理
等离子体是一种由带电粒子组成的物质状态，具有高度导电性和导磁性。在磁场中，等离子体粒子的运动轨迹会受到洛伦兹力的作用，从而产生一系列复杂的物理现象。
根据洛伦兹力公式：F = qvBsinθ，其中F为洛伦兹力，q为粒子电荷，v为粒子速度，B为磁场强度，θ为粒子速度与磁场方向的夹角。当θ=90°时，洛伦兹力达到最大值，粒子运动轨迹为螺旋形。
实验中，我们采用大气压放电产生等离子体，利用永磁体组合产生的轴向发散磁场来约束等离子体。通过观察等离子体在磁场中的运动轨迹，分析等离子体的特性。
三、实验仪器与材料
1. 大气压等离子体发生器；
2. 永磁体组合；
3. 等离子体探测器；
4. 高灵敏度三位半数字式毫特斯拉计；
5. 数字式电流表；
6. 直流稳流电源；
7. 传感器探头；
8. 圆线圈和亥姆霍兹线圈实验平台；
9. 高灵敏度三位半数字式毫特斯拉计、三位半数字式电流表及直流稳流电源组合仪一台；
10. 传感器探头是由2只配对的95A型集成霍尔传感器与探头盒；
11. 不锈钢直尺（30cm）、铝合金靠尺。 四、实验步骤
1. 将大气压等离子体发生器连接至电源，打开电源，使等离子体发生器产生等离子体；
2. 将永磁体组合放置在等离子体发生器附近，调整磁场强度；
3. 将等离子体探测器放置在等离子体发生器出口处，收集等离子体数据；
4. 利用高灵敏度三位半数字式毫特斯拉计测量磁场强度；
5. 改变磁场方向，观察等离子体在磁场中的运动轨迹；
6. 记录实验数据，分析等离子体的特性。
五、实验结果与分析
1. 等离子体在磁场中的运动轨迹为螺旋形，符合洛伦兹力公式；
2. 随着磁场强度的增加，等离子体的螺旋半径减小；
3. 当磁场方向改变时，等离子体的运动轨迹随之改变。
磁场对等离子体的稳定性和控制
磁场对等离子体的稳定性和控制
磁场在等离子体研究中起着至关重要的作用。通过对磁场的稳定性和控制的研究，我们可以更好地理解和应用等离子体技术。本文将探讨磁场对等离子体的稳定性和控制的影响，以及相关的研究进展。
1. 磁场稳定性的重要性
磁场对等离子体的稳定性至关重要。一个稳定的磁场可以使等离子体保持良好的形态，而不会发生扭曲或剧烈变化。稳定的磁场有助于维持等离子体的性质和行为，保证其在实验过程中的可控性和可预测性。
2. 磁场对等离子体运动的影响
磁场对等离子体运动具有重要影响。磁场可以产生洛伦兹力，使等离子体中的带电粒子沿着磁力线运动。这种运动方式被称为磁约束运动，是等离子体稳定性的关键因素之一。通过控制磁场的强度和方向，可以调节等离子体中粒子的运动轨迹和速度，实现对等离子体的粒子输运的控制。
3. 磁场调控等离子体扩散
磁场对等离子体扩散的控制至关重要。等离子体中的粒子在磁场的作用下会产生扩散，这种扩散现象对等离子体的稳定性和控制造成了挑战。磁场调控可以通过改变磁场的强度和方向来改变等离子体中粒子的扩散行为。这对于等离子体技术的应用非常重要，可以提高等离子体的稳定性和效率。 4. 磁场对等离子体中湍流的抑制
湍流是等离子体中的一种不稳定现象，会导致能量和粒子的损失。磁场对湍流的抑制具有重要作用。磁场可以改变湍流的流动结构和能量分布，从而减小湍流的强度和影响范围。这为等离子体的稳定性和控制提供了重要的手段。
5. 相关研究进展
近年来，对磁场对等离子体稳定性和控制的研究取得了一系列重要进展。研究人员通过数值模拟和实验观测，深入探究了磁场对等离子体行为的影响机制和相互作用规律。同时，开展了一系列磁场调控等离子体的实验，取得了一些令人鼓舞的结果。这些研究为等离子体技术的发展提供了重要的理论和实验依据。
总结：
磁场对等离子体的稳定性和控制具有重要的影响。通过控制磁场的强度和方向，我们可以调节等离子体中粒子的运动、扩散和湍流的行为。近年来的相关研究取得了一系列重要进展，为等离子体技术的发展提供了新的思路和方法。通过持续的努力和研究，我们相信磁场对等离子体的稳定性和控制将取得更大的突破，为等离子体技术的应用带来更多的可能性。
ECR等离子体系统中粒子沿微管传输的研究
２０１２年８月 Ａｕｇ．２０１２ 华南师范大学学报（自然科学版） ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＵＴＨ ＣＨＩＮＡ ＮＯＲＭＡＬ ＵＮＩＶＥＲＳｎＹ （ＮＡＴＵＲＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＥＤＩＴＩＯＮ） 第４４卷第３期 Ｖｏ１．４４ Ｎｏ．３
文章编号：１０００—５４６３（２０１２）０３—００６８—０３
ＥＣＲ等离子体系统中粒子沿微管传输的研究
杜金菊 ，李炜 （１．华南师范大学研究生处，广东广州５１０６３１；２．华南师范大学物理与电信工程学院广东广州５１０００６）
摘要：建立了一个等离子体系统内粒子传输模型，研究在一个ＥＣＲ等离子体系统中，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．在此模型中，在非平衡热涨落、磁场作用和外场力等因素的综合作用和 共同驱动下，得到一个净几率流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．此外， 通过理论模型的计算，得到了＿，关于不同参数的相关函数． 关键词：等离子体；传输；驱动因素 中图分类号：０５３ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．６０５４／ｊ．ｊｓｃｎｕｎ．２０１２．０６．０１５
输运过程在等离子体系统中占有很重要的地
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＿ｌ ］．现代动力学理论主要
是以玻耳兹曼方程为基础，辅以各种近似分析方法
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
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（ＥＣＲ）
等离子体具有独特的优点 ：等离子体密度高，无