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 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---〉圆波导，
10TE 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
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
z 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
