电子回旋共振等离子体及其在材料加工中的应用

等离子体的等离子体共振等离子体是由正负电荷的离子和自由电子构成的一种有电中性的物质状态，具有高度电离和导电性的特性。

等离子体共振是等离子体中电磁波与等离子体自身振动的耦合现象，是等离子体物理中的一个重要现象，并在各种领域得到广泛应用。

等离子体共振的理论基础可以由等离子体的麦克斯韦方程组和流体力学方程组推导得出。

在等离子体共振的研究中，最常用的是Maxwell 方程组取加性波的模型，即在不考虑介质弛豫的情况下研究等离子体共振的性质。

为了研究等离子体共振，一种常见的实验方法是使用等离子体激光共振器。

首先，我们需要准备一个大气压下工作的等离子体激光辐射源，例如，氩离子激光、二次谐波激光或者自由电子激光。

然后，将激光束引导进一个加热的等离子体管道中，例如，离子管、真空室、等离子体炉等。

在实验过程中，我们通常会测量等离子体中的电场、速度和密度等物理量。

例如，为了测量等离子体中的电场，可以使用电场探针，利用探针上的电子受到等离子体中的电场力而产生的电流来测量电场强度。

为了测量等离子体中的速度，可以使用激光雷达或者飞行时间质谱仪等设备。

为了测量等离子体中的密度，可以使用微波干涉仪或者阻抗探测器等装置。

等离子体共振在许多领域中都有广泛应用。

在材料科学中，可以利用等离子体共振来研究材料的等离子体性质，例如，等离子体禁带宽度和等离子体频率响应等。

在等离子体物理学中，等离子体共振是研究等离子体平衡态和非平衡态行为的重要手段。

在等离子体抑制等离子体体积中等离子体共振和等离子体辐射反应的实验装置中也可应用等离子体共振。

此外，等离子体共振还在等离子体诊断、等离子体燃烧和等离子体加热等领域有广泛应用。

例如，在核聚变研究中，等离子体共振可用于研究等离子体的温度和密度分布，并且在等离子体加热实验中有大量运用。

在等离子体激光器中，等离子体共振是实现等离子体激光放大和生成的关键。

总结起来，等离子体共振是等离子体物理中的重要现象，其研究不仅可以深化对等离子体共振现象的理解，还可以推动等离子体技术和应用的发展。

等离子共振知识点等离子共振是一种物理现象，指的是等离子体中的自由电子与电磁波之间的相互作用。

在等离子体中，自由电子受到电磁波的作用而发生振荡，形成共振现象。

本文将介绍等离子共振的基本原理、应用领域以及相关实验和研究进展。

1. 等离子共振的基本原理1.1 等离子体的特性等离子体是由正负电荷互相抵消的体系，其中自由电子数量相对较多，使得等离子体具有导电性和发光性等特性。

1.2 电磁波的作用电磁波是一种能够传播的波动现象，包括光波、无线电波等。

当电磁波与等离子体相互作用时，可以引起自由电子的振荡。

1.3 自由电子的共振当电磁波的频率与自由电子的振荡频率相匹配时，会引发自由电子的共振现象。

此时，电磁波的能量可被传递给自由电子，增强等离子体中的电磁场。

2. 等离子共振的应用领域2.1 光谱学等离子体的共振现象对于光的传播和吸收有重要影响。

通过对等离子共振的研究，可以获得物质的光谱信息，用于分析和识别物质的成分和结构。

2.2 等离子体显示器等离子共振在等离子体显示器（Plasma Display Panel, PDP）中得到广泛应用。

在PDP中，通过控制等离子体中自由电子的振荡和共振，实现像素点的发光或关闭，从而呈现图像和视频。

2.3 等离子体加工技术等离子共振的特性使其成为一种重要的表面处理技术。

等离子体在材料表面的共振激发可以改变表面的性质，如增加表面粗糙度、提高涂层附着力等，用于制备功能性材料和薄膜。

3. 相关实验和研究进展3.1 等离子体共振模型为了更好地理解等离子共振现象，科学家建立了各种理论模型。

其中包括等离子体振荡模型、等离子体谐振模型等。

这些模型为研究者们提供了分析等离子共振特性的工具和理论基础。

3.2 等离子共振在医学中的应用近年来，等离子共振在医学中的应用逐渐被发现。

研究者们利用等离子共振的特性开展了光热治疗、等离子体医学成像等领域的研究，为医疗技术的发展带来新的思路和方法。

3.3 激光等离子体共振激光等离子体共振是一种新兴的研究领域，研究者们利用激光与等离子体的相互作用实现了精细的控制。

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磁控溅射原理ECR磁控溅射原理什么是ECR磁控溅射？ECR磁控溅射（Electron Cyclotron Resonance Magnetron Sputtering）是一种常用的薄膜制备技术，它利用电子回旋共振效应和磁控溅射技术相结合，能够在低温下制备高质量的薄膜。

下面将介绍ECR磁控溅射的工作原理及其应用。

电子回旋共振效应电子回旋共振效应是指当带有准确频率的外加射频电场作用于等离子体中自由电子时，电子会在磁场的引导下形成一个稳定的轨道运动。

这种回旋共振现象可以让电子获得足够的能量和速度，从而具备溅射衬底表面的能力。

磁控溅射技术磁控溅射是利用电子轨道高度控制的特点，通过磁场将惰性气体（如氩气）离子化，形成等离子体，并加速氩离子轰击靶材产生溅射。

溅射的靶材会被氩离子击中并释放出原子或分子，然后在真空中沉积到衬底表面形成薄膜。

ECR磁控溅射原理ECR磁控溅射利用强大的射频电磁场与静磁场相互作用，使电子在磁场中回旋共振，得到足够的能量后，将能量传递给惰性气体成为等离子体。

在等离子体的作用下，靶材表面的原子或分子被离子击中并溅射，最终形成薄膜。

ECR磁控溅射的优势•低温制备：ECR磁控溅射的工作温度相对较低，可以制备高熔点材料薄膜。

•高纯度薄膜：由于只有靶材物质被击中溅射，薄膜的纯度较高。

•高沉积速率：ECR磁控溅射能够提供较高的离子能量和流密度，导致较高的沉积速率。

•薄膜质量优良：ECR磁控溅射制备的薄膜具有较高的致密性、较好的附着力和较小的残余应力。

ECR磁控溅射的应用ECR磁控溅射技术广泛应用于微电子器件、光学薄膜、磁性薄膜、超硬涂层等领域。

各种功能薄膜的制备都可以采用ECR磁控溅射技术进行，如导电膜、阻障膜、光学反射膜等，满足了不同应用领域对薄膜性能要求的多样化需求。

ECR磁控溅射技术的发展不仅拓展了薄膜制备的领域，还为多种先进功能材料的研究提供了强有力的工具和手段。

未来随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，ECR磁控溅射必将发挥更加重要的作用。

介质阻挡放电等离子体及其在材料制备中的应用【导读】在材料制备过程中，介质阻挡放电等离子体被广泛应用。

本文将深入探讨介质阻挡放电等离子体的基本原理和制备方法，并进一步讨论其在材料制备中的应用。

通过阅读本文，您将对介质阻挡放电等离子体有一个深入的了解，并对其在材料制备中的潜在应用有更清晰的认识。

1. 引言介质阻挡放电等离子体是一种在气体或液体中形成的等离子体。

它是由电子、正离子和中性分子组成的，并且在介质表面形成电子密度较高的“电子云”。

介质阻挡放电等离子体具有很高的活性和能量，因此其在材料制备中具备广泛的应用。

2. 介质阻挡放电等离子体的基本原理2.1 构成要素介质阻挡放电等离子体的构成要素包括：电源、介质和阴极。

电源提供能量，介质用于在阴极表面形成等离子体，而阴极则起到引导电子的作用。

2.2 放电模式介质阻挡放电等离子体的放电模式主要有以下几种：正常放电、陷阱放电和笼放电。

正常放电是指在介质中形成均匀的等离子体，陷阱放电是指在介质的某个特定位置形成等离子体，而笼放电是指在介质的局部区域形成等离子体。

3. 介质阻挡放电等离子体的制备方法3.1 电极形状和尺寸的优化通过优化电极的形状和尺寸，可以改变介质阻挡放电等离子体的形态和活性。

采用具有特殊形状的电极，可以在特定位置形成陷阱放电，从而实现对特定区域的材料处理。

3.2 气体流动速度的控制通过控制气体流动速度，可以调节等离子体的密度和活性。

较高的气体流动速度能够增加等离子体的活性，从而提高材料的处理效果。

3.3 外加电场的施加外加电场的施加可以增加等离子体的能量，从而提高材料的加工速度和质量。

外加电场的施加可以通过调整电源参数来实现。

4. 介质阻挡放电等离子体在材料制备中的应用4.1 涂层技术通过介质阻挡放电等离子体，可以制备具有特殊性能的涂层材料。

采用磁控溅射等离子体技术，可以获得具有高硬度和耐磨性的涂层材料，用于提高制动系统的性能。

4.2 表面改性通过介质阻挡放电等离子体，可以实现对材料表面的改性。

等离子体的电磁特性与应用研究引言：等离子体是物理学中一种特殊的物质状态，是由电子和正离子组成的气体，具有电磁特性的研究涉及电磁场等多个物理学领域。

本文将详细解读等离子体的电磁特性以及相关实验的准备和过程，并讨论其在不同领域的应用。

一、等离子体的电磁特性：等离子体的电磁特性是其研究的核心内容之一。

在等离子体中，电子跟离子之间存在高度的耦合作用，主要包括电子电场耦合、离子电场耦合和电流耦合等。

等离子体的电磁特性与外加电场和电流的作用下发生变化，反过来也会对外界的电磁场产生影响。

二、实验准备：1. 等离子体产生设备：常见的等离子体产生设备包括等离子体注入器、电弧等离子体炉、等离子体体积放电器等。

通过调节设备中的电压、电流、气体种类和压强等参数，可以产生不同性质的等离子体。

2. 等离子体参数测量仪器：包括等离子体参数测量仪、电场测量仪、磁场测量仪以及等离子体测温仪等，用于获取等离子体的电磁参数，如电子密度、电子温度、离子密度、离子温度、等离子体分子成分等。

3. 实验室环境准备：需要消除电磁辐射、磁场干扰等环境因素对实验的影响，保证实验结果的准确性和可重复性。

三、实验过程：1. 等离子体产生：使用等离子体产生设备，根据实验需求选择合适的产生方法，如射频等离子体产生、辉光放电产生等。

通过控制气体、电压和电流等参数，产生稳定的等离子体。

2. 实验参数调节：调整等离子体产生设备的参数，如气体种类和压强、电压和电流强度等，以改变等离子体的性质。

同时，利用等离子体参数测量仪器监测和确定等离子体的电磁参数。

3. 外加电磁场：使用电磁场产生设备，如电磁铁、电极等，施加外加电磁场对等离子体进行激发或操控。

观察等离子体的响应和变化，记录所得数据。

4. 数据分析和实验结果：根据实验获得的等离子体的电磁参数和外界电磁场的作用，进行数据分析和实验结果的总结，进一步探讨等离子体的电磁特性和与外界的相互作用机制。

四、应用研究：等离子体的研究在多个领域具有重要的应用价值：1. 等离子体在能源领域的应用：等离子体体积放电器在核聚变领域有广泛应用，通过调控等离子体的电磁特性，实现核聚变反应，产生高能量的等离子体束。

高温等离子体在材料加工中的应用高温等离子体作为一种高温、高能量的状态，具有广泛的应用领域，其在材料加工中也发挥着重要作用。

本文将介绍高温等离子体在材料加工中的应用，并对其特点和优势进行探讨。

首先，高温等离子体在材料加工中的应用范围广泛。

从金属材料到非金属材料，从微观加工到宏观加工，高温等离子体都可以发挥其特殊作用。

在金属材料加工中，高温等离子体可用于熔化、烧蚀和腐蚀等各个阶段的加工过程。

而在非金属材料加工中，高温等离子体则可以用于增强材料的表面硬度、改善材料的光学性能以及实现材料的刻蚀和雕刻等作用。

其次，高温等离子体在材料加工中具有高效率、高精度和高质量的特点。

由于高温等离子体具有高温、高能量的特性，因此能够快速完成加工过程，并且能够实现对材料的微观结构和性能的精确控制。

例如，在材料的表面处理中，高温等离子体可以实现对材料表面的“上海效应”，从而使得材料表面光滑度得到显著提高。

同时，高温等离子体在材料加工中还可以实现对材料的精确控制，通过调节等离子体的参数（如射频功率、等离子体气体浓度等），可以实现对材料加工过程中的温度、能量和离子流等的控制，从而实现对材料性能的精确调节。

再次，高温等离子体在材料加工中还具有可持续性和环保性的特点。

传统的材料加工方法可能会产生大量的污染物，对环境造成严重的影响。

而高温等离子体作为一种清洁能源，其能够减少或避免对环境的污染。

在高温等离子体加工过程中，几乎不产生废水、废气和废渣等污染物，因此具有较小的环境风险和较高的可持续性。

最后，高温等离子体在材料加工中的应用还具有巨大的潜力。

随着科技的不断进步和技术的不断创新，高温等离子体在材料加工中的应用正不断扩展。

例如，在微纳米加工领域，高温等离子体可以用于纳米粉末材料的制备、纳米薄膜的溅射和纳米芯片的刻蚀等。

另外，随着材料科学的发展，高温等离子体也可以应用于新型材料的合成和改性，从而拓宽材料加工的领域和方法。

综上所述，高温等离子体在材料加工中的应用具有广泛的范围、高效率、高精度、高质量、可持续性和环保性等特点。

激光等离子体材料加工技术的研究进展及应用前景随着科技的不断进步，激光等离子体材料加工技术成为当前最先进和最具前景的加工方式之一。

它不但可以极大地提高生产效率，同时也可以实现高精度和高品质的加工。

在很多领域得到广泛应用，例如电子、机械、航空、新能源、医疗等多个行业。

本文将从激光等离子体材料加工技术的原理、研究进展、应用现状三个方面，来探讨激光等离子体材料加工技术的研究进展及应用前景。

一、技术原理激光等离子体材料加工技术是在激光束照射下，材料表面被快速加热、气化并形成等离子体，通过激光束及等离子体对材料进行加工。

其工作原理是利用光子在物质相互作用中的能量转换，激光束照射在物质表面时将被物质吸收并引起电子的激发以及能量的转移。

当材料表面吸收光子的能量达到一定程度后，将会形成等离子体。

由于等离子体中的电子密度很高，并且带有电荷，能够有效地吸收激光能量并将其转换为热能，最终将材料表面加工处理，激光等离子体材料加工技术因此在工业加工领域中得到广泛的应用。

二、研究进展激光等离子体材料加工技术的研究和应用近年来得到了较大的发展。

其技术特点是具有高精度，能够实现一些传统加工方式无法达到的效果，是目前最具前景的加工方式之一。

二、1 研究成果目前，国内外研究机构已经在激光加热、快速淬火、修复、激光熔覆、修边和钻孔等诸多领域进行了广泛的研究和应用。

例如，在激光淬火技术方面，一个新研究显示激光淬火处理后的H13钢具有显著的耐磨性和强度，其磨损行为已经得到了深入研究。

同样，同时也有许多研究成果证明了激光等离子体材料加工技术可应用于不同领域，如电子、机械、航空、新能源、医疗等方面的高精度加工。

二、2 技术难点虽然激光等离子体材料加工技术的应用得到了很大的发展，但仍面临一些技术难点。

激光激源产生的激光束能量和热采伐的扩散往往会引起材料局部变形、开裂、退火等问题，这些问题需要进一步解决。

同时，当前市场上的激光加工设备过于昂贵，导致当前普及程度较低，为完善和提升该技术的应用还需进一步进行相关针对技术难点的研究。

等离子体技术及应用等离子体技术是一项重要的现代科技，它利用等离子体的性质和特点来进行能量转换、聚变反应、材料表面处理、垃圾处理等领域的应用。

等离子体是一种由离子和自由电子组成的物理状态，具有高能量、高温度、高扩散、高离子密度等特点，具有良好的电导性和电离能力。

等离子体广泛存在于自然界和人工制造的环境中，如太阳大气层、星际空间、闪电、火焰等，同时也被应用于各种行业和领域。

能量转换：等离子体技术可以将一种形式的能量转换为另一种形式的能量，如将电能转化为光能、热能、机械能等。

其中，等离子体显示技术是应用最为广泛和成功的领域之一，利用等离子体在外加电场下的辉光发射现象，制造出高清晰度、高亮度、高对比度的光源，适用于液晶显示器、等离子体电视等产品。

此外，等离子体喷枪可以通过气体电离产生等离子体来加热、熔化、喷涂材料，用于金属、陶瓷、陶土等材料的表面处理。

聚变反应：等离子体技术可用于实现聚变反应，该过程利用等离子体中的氢原子核融合成氦原子从而释放出大量能量。

这种能量的产生是核裂变过程的数百倍，但是该技术还处于实验室阶段，距离实际应用还有一段距离。

目前，国际热核聚变实验堆ITER正在建设中，旨在通过聚变反应来解决未来能源问题。

材料表面处理：等离子体喷涂技术将等离子体产生于特定、受控的气氛环境中，可针对不同材料的表面进行改性处理、涂敷等工作。

利用等离子体在物理的、化学的和表面传递学的效率，组织和改变材料的质量和功能。

例如，可以利用等离子体喷涂将超疏水的涂层应用于玻璃、陶瓷、塑料等材料，使其具备自清洁、抗油污、抗水浸的特性，大大提高材料的使用寿命。

垃圾处理：等离子体技术被用于处理工业和城市垃圾、废水和废气等污染物，利用等离子体高能量对有机物分子的氧化分解和无机污染物分解的作用，将其分解为二氧化碳、水等无害物质，从而减少环境污染。

总之，等离子体技术的广泛应用将推动社会的发展和进步，有望通过聚变反应提供未来清洁能源，应用于材料表面处理、垃圾处理等环保领域，大大提高人类生活的质量和水平。

等离子体与表面等离子体共振在化学分析中的应用等离子体和表面等离子体共振是一种利用电磁场作用下的振动现象，在生物医学和化学分析领域中广泛应用的仪器技术。

通过等离子体和表面等离子体共振现象，可以对分子结构和反应动力学进行准确控制，达到高信噪比、准确定量和高灵敏度的分析效果。

本文将介绍等离子体和表面等离子体共振在化学分析中的应用、原理及其优缺点。

一、等离子体共振在化学分析中的应用等离子体共振是利用电磁场作用下基于自由电子在原子核周围的运动特性而产生电磁波的一种现象。

这种现象可以用于分析化学中的许多领域，包括蛋白质结构、DNA和RNA等生物分子结构及其结合状态的研究、药物、抗体和肽类的互作方案及其动力学的分析等。

等离子体光谱还可用于分析材料的表面和界面内的薄膜、涂料、漆等。

当由某种样品组成的气体、流体或固体放置于一个等离子体发生器中，高频波会驱动放电，并在样品表面产生等离子层。

由于等离子体观察基于电磁波和放电，因此这种技术对样品组成的要求较高，空气和水分子等干扰物质也会影响分析结果。

但是，易受微量物质、易于操作的样品和一些可量化的物质分析相对容易。

二、表面等离子体共振在化学分析中的应用表面等离子体共振（SPR）是基于基金不合二脚直角之法（Kretschmann configuration）表面等离子体束的一种技术。

它通过激发金属表面电荷密度的变化，从而产生反常吸收现象并生成电磁波，在准确控制样品浓度和反应时间后，可以定量计算分析物的相对浓度。

SPR适用于研究蛋白质、配体互作动力学、分析核酸、药物互作和分子识别等领域。

SPR技术可在几秒钟内测量基于样品抗体或蛋白质的剂量反应和接触情况，并可通过表面等离子体的振动与样品相互作用，使样品吸附于某种墨水涂层或其他界面化学分子上，且使用样品大大减少了所需的分析量。

三、等离子体和表面等离子体共振的优缺点等离子体和表面等离子体共振技术的优点包括高度灵敏性、优秀的分辨力、灵活性和速度。

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。

等离子体蚀刻及其在大规模集成电路制造中的应用等离子体蚀刻及其在大规模集成电路制造中的应用在现代技术中，大规模集成电路（VLSI）已成为一种不可或缺的组件。

而实现VLSI的关键在于蚀刻技术。

其中，等离子体蚀刻成为了一种广泛用于制造高品质微电子器件的技术。

1.等离子体蚀刻的基本原理等离子体蚀刻是一种利用高能离子轰击材料表面，使其发生化学反应并去除非所需区域的材料的物理过程。

等离子体蚀刻是利用等离子体与气体间的相互作用，改变物质的原子状态，然后通过反应产生化学的副产物，将其从被蚀刻的表面去除。

因此，等离子体蚀刻的速度和选择性都比传统蚀刻技术高，同时还能在制造过程中保持材料的质量、形状和尺寸。

2.等离子体蚀刻在大规模集成电路中的应用在集成电路制造过程中，等离子体蚀刻被广泛应用于各种材料的加工。

下面是一些等离子体蚀刻的应用：2.1.图案化等离子体蚀刻可以用于将设备中的各种材料制成复杂的图案和形状，这对于制造微型电子设备至关重要。

微细结构的制造是通过化学蚀刻，物理蚀刻和湿法蚀刻等方法实现的，然而，等离子体蚀刻可以实现更高的选择性，更平滑的表面和更高的精度。

2.2.制作微米级孔隙和间隙等离子体蚀刻可制造微米级孔隙和间隙，以实现不同区域之间的物质交互或来自外部环境或信号变换器件的曝光。

2.3.用于蚀刻非晶硅层等离子体蚀刻被广泛应用于制造非晶硅层。

在蚀刻过程中，氢气可以使氢离子轰击非晶硅表面，促进显性化合物的形成。

由于非晶硅材料存在于VLSI芯片中的许多应用，因此等离子体蚀刻技术也非常重要。

3.结语本文简述了等离子体蚀刻的基本原理以及其在VLSI中的应用。

随着技术的不断进步，等离子体蚀刻技术将在微电子制造和其他领域中发挥越来越重要的作用。

低温等离子体对材料的表面改性张　波冷等离子体对材料的表面改性,通过放电等离子体来优化材料的表面结构,是一种非常先进的材料表面改性方法。

冷等离子体的特殊性能可以对金属、半导体、高分子等材料进行表面改性,该技术已广泛应用于电子、机械、纺织等工程领域。

等离子体是“物质的第四态”,它是由许多可流动的带电粒子组成的体系。

等离子体的状态主要取决于它的化学成分、粒子密度和粒子温度等物理化学参量,其中粒子的密度和温度是等离子体的两个最基本参量。

实验室中采用气体放电方式产生的等离子体主要由电子、离子、中性粒子或粒子团组成。

描述等离子体的密度参数和温度参数主要有:电子温度T e、电子密度n e、离子温度T i、离子密度n i、中性粒子温度T g、中性粒子密度n g。

在一般情况下,等离子体呈现宏观电中性,当等离子体处在平衡状态时,n e≈n i=n g。

可以用物理参量电离度η=n e/ (n e+n g)来描述等离子体的电离程度,低气压放电产生的等离子体是弱电离的等离子体(ην1),η=1时,为完全电离等离子体。

等离子体按照其组成粒子的能量大小及热力学性质,可分为高温等离子体和低温等离子体。

高温等离子体中带电粒子的温度可达到绝对温度几千万度到上亿度,如太阳上的核聚变及地球上的热核聚变反应等。

低温等离子体又分为热等离子体(热力学平衡)和冷等离子体(非热力学平衡),其中热等离子体中粒子的能量特别高,通常用于需要高温作业的领域,如磁流体发电,等离子体焊接、切割,等离子体冶炼,等离子体喷涂,等离子体制备超细粉等。

实验室中采用低气压放电产生的等离子体,电子温度T e约为1～10eV(1eV=11600K),而离子温度T i只有数百开尔文,基本上等于中性粒子的温度,所以这种等离子体称为冷等离子体。

正因为冷等离子体的宏观温度与室温相差无几,所以有着重要应用价值,如用于材料的表面改性以及光源等。

对于冷等离子体对高分子材料表面改性的作用机理,一般认为冷等离子体中含有大量电子、离子,激发态的分子和原子、自由基及紫外光等活性粒子,这些粒子的能量大多在0～20eV之间,而高分子材料大多是由C、H、O、N四种元素组成,这些分子之间的键能也多在l～10eV之间,如C-H(413eV)、C-N(219eV)、C-C(314eV)、C=C(61leV)等,恰恰在等离子体的能量作用范围之内,因而等离子体对高分子材料表面改性十分有效,可改变其表面的化学组分和化学结构。