等离子清洗机有电子回旋共振和螺旋波等离子体吗?

时间:2023-02-23作者:佚名

国内技术比较成熟的真空(低压)等离子清洗机包括:电容耦合等离子清洗机(CCP)和电感耦合等离子清洗机(ICP),而微波等离子清洗机相对比较少见。随着半导体产业和新材料等领域的迅猛发展,微波等离子体表面处理技术越来越受到重视。今天我们来探讨一下回旋共振和螺旋波等离子体的原理和特点。

1 电子回旋共振(ECR)等离子体

通过实验我们了解到,在0.1T量级的磁场中以1kW左右的微波(通常采用频率为2.45 GHz)从真空窗入射,即使在很低的压强(0.05 Pa~0.5Pa)条件下也可以生成高密度(1017m-3)的等离子体。能够这样高效的生成等离子体的原因正是等离子体共振现象。利用磁场中电子回旋共振(Electron cyclotron resonance,ECR)的等离子体发生装置模型如图1所示

等离子清洗机有电子回旋共振和螺旋波等离子体吗?

图1 利用电子回旋共振在低气压下面形成的ECR等离子体

我们知道当有磁场存在时,电子便会在洛仑兹力的作用下作环绕磁力线的回旋运动。这种运动的频率由磁场强度所决定:ωe/2π=eB/2πme(电子回旋频率)。当B=0.0875T时,回旋频率为2.45 GHz。如果从外部施加同一频率的振荡电场,作回旋运动的电子会受到同相位电场的作用而被“直流式”的持续加速。因此,当电场角频率ω与电子回旋角频率ωe一致时,就会发生电子的共振加速,电子因此获得较高的动能,这种现象便被称为电子回旋共振。

利用这个原理的ECR等离子体装置,由于吸收了微波能量的高速电子频繁的引起电离,即便在低气压下也可以获得高密度等离子体。表1给出ECR等离子体与容性射频耦合等离子体的参数比较,从中可以看出 ECR等离子体具有更高的离化效率。ECR等离子体在半导体技术中具有非常重要的应用。

等离子清洗机有电子回旋共振和螺旋波等离子体吗?

表1 ECR等离子体与RF平板容性等离子体的特性参数比较

2 螺旋波等离子体

据研究,在磁场中给天线通以频率远低于电子回旋频率(ω<<ωc)的高频电流,即使在低气压下也容易地生成高密度的等离子体,这样生成的等离子体叫做螺旋波等离子体(Helicon wave plasma)。图2所示为这种装置的一个实例,天线部分的直径为0.1m左右,在0.01 T量级的弱磁场中对天线输入13.56MHz、1kW的高频信号后就可以在1~5Pa的压强下得到密度为1018~1019m-3的强电离等离子体。这种等离子体的生成机制与被称为螺旋波的波动有着密切的关系。

等离子清洗机有电子回旋共振和螺旋波等离子体吗?

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