等离子清洗机有电子回旋共振和螺旋波等离子体吗？
文章导读：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
通过等离子清洗机实验我们了解到，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:
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。
2. 螺旋波等离子体
据研究，在等离子清洗机的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。
在图2中，若给环绕石英管的天线（用于激励m=1的模式）通以高频电流，就会使得等离于体内部的磁场发生振荡，激励起强烈的螺旋波。这就是说，从外部投人的高频能量变成了等离于体内部的波动（集体运动）能量。在波的电场作用下，一个一个的电子受到加速、减速，最终电子的动能增大，等离子体得到维持。 这种能量从波到电子的转移机制是比较复杂的，除了波的碰撞衰减之外，还有无碰撞状态下的朗道衰减以及存在于天线正下方的驻波对电子的直接加速作用等。
3.微波等离子清洗机
微波等离子清洗机的核心部件在于：可匹配调谐的波导管和等离子发生器，这两个部件的设计和工艺与国外先进技术还存在不小的差距。国产实验型微波等离子清洗机已经有在使用；而用于大规模工业清洗的微波等离子清洗机，还鲜有看到。
工业应用的一般都属于表面波型，其工作模式是通过辐射微波电磁场直接将气体击穿实现放电，一般要求放电气压高，因为没有离子的加速作用，其电子密度较高，对于有机物的去除和材料表面活化的效率是比较高的。微波等离子体放电状态如图3所示
微波等离子清洗机需要提升的几个方面包括：
①放电气压高带来的问题是等离子体局域化比较严重，纵深清洗比较差，不利于多层面的大尺度的清洗处理；
②微波电磁场对电子元器件多少会有一定电磁辐射作用，有可能会造成电子元器件的击穿损伤。
③设备造价高，维修保养不是很方便。
通过等离子清洗机实验我们了解到，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:
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。
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，在等离子清洗机的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。
图2 利用激励螺旋波生成高密度等离子体
螺旋波是指沿磁力线方向传播的右旋圆偏振波的低频部分（ω<<ωc）,螺旋波的波长近似与磁场成正比例、与等离子体密度成反比例。在图2中，若给环绕石英管的天线（用于激励m=1的模式）通以高频电流，就会使得等离于体内部的磁场发生振荡，激励起强烈的螺旋波。这就是说，从外部投人的高频能量变成了等离于体内部的波动（集体运动）能量。在波的电场作用下，一个一个的电子受到加速、减速，最终电子的动能增大，等离子体得到维持。 这种能量从波到电子的转移机制是比较复杂的，除了波的碰撞衰减之外，还有无碰撞状态下的朗道衰减以及存在于天线正下方的驻波对电子的直接加速作用等。
3.微波等离子清洗机
微波等离子清洗机的核心部件在于：可匹配调谐的波导管和等离子发生器，这两个部件的设计和工艺与国外先进技术还存在不小的差距。国产实验型微波等离子清洗机已经有在使用；而用于大规模工业清洗的微波等离子清洗机，还鲜有看到。
工业应用的一般都属于表面波型，其工作模式是通过辐射微波电磁场直接将气体击穿实现放电，一般要求放电气压高，因为没有离子的加速作用，其电子密度较高，对于有机物的去除和材料表面活化的效率是比较高的。微波等离子体放电状态如图3所示
图3 微波等离子体放电状态
微波等离子清洗机需要提升的几个方面包括：
①放电气压高带来的问题是等离子体局域化比较严重，纵深清洗比较差，不利于多层面的大尺度的清洗处理；
②微波电磁场对电子元器件多少会有一定电磁辐射作用，有可能会造成电子元器件的击穿损伤。
③设备造价高，维修保养不是很方便。
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