等離子清洗機有電子回旋共振和螺旋波等離子體嗎？
文章導讀：國內技術比較成熟的真空（低壓）等離子清洗機包括：電容耦合等離子清洗機（CCP）和電感耦合等離子清洗機（ICP），而微波等離子清洗機相對比較少見。隨著半導體產(chǎn)業(yè)和新材料等領域的迅猛發(fā)展，微波等離子體表面處理技術越來越受到重視。今天我們來探討一下回旋共振和螺旋波等離子體的原理和特點。
1.電子回旋共振（ECR）等離子體
通過等離子清洗機實驗我們了解到，在0.1T量級的磁場中以1kW左右的微波（通常采用頻率為2.45 GHz）從真空窗入射，即使在很低的壓強（0.05 Pa~0.5Pa）條件下也可以生成高密度（1017m-3）的等離子體。能夠這樣高效的生成等離子體的原因正是等離子體共振現(xiàn)象。利用磁場中電子回旋共振（Electron cyclotron resonance，ECR）的等離子體發(fā)生裝置模型如圖1所示:
圖1 利用電子回旋共振在低氣壓下面形成的ECR等離子體
我們知道當有磁場存在時，電子便會在洛侖茲力的作用下作環(huán)繞磁力線的回旋運動。這種運動的頻率由磁場強度所決定：ωe/2π=eB/2πme（電子回旋頻率）。當B=0.0875T時，回旋頻率為2.45 GHz。如果從外部施加同一頻率的振蕩電場，作回旋運動的電子會受到同相位電場的作用而被“直流式”的持續(xù)加速。因此，當電場角頻率ω與電子回旋角頻率ωe一致時，就會發(fā)生電子的共振加速，電子因此獲得較高的動能，這種現(xiàn)象便被稱為電子回旋共振。
利用這個原理的ECR等離子體裝置，由于吸收了微波能量的高速電子頻繁的引起電離，即便在低氣壓下也可以獲得高密度等離子體。表1給出ECR等離子體與容性射頻耦合等離子體的參數(shù)比較，從中可以看出 ECR等離子體具有更高的離化效率。ECR等離子體在半導體技術中具有非常重要的應用。
2. 螺旋波等離子體
據(jù)研究，在等離子清洗機的磁場中給天線通以頻率遠低于電子回旋頻率（ω<<ωc）的高頻電流，即使在低氣壓下也容易地生成高密度的等離子體，這樣生成的等離子體叫做螺旋波等離子體（Helicon wave plasma）。圖2所示為這種裝置的一個實例，天線部分的直徑為0.1m左右，在0.01 T量級的弱磁場中對天線輸入13.56MHz、1kW的高頻信號后就可以在1~5Pa的壓強下得到密度為1018~1019m-3的強電離等離子體。這種等離子體的生成機制與被稱為螺旋波的波動有著密切的關系。
在圖2中，若給環(huán)繞石英管的天線（用于激勵m=1的模式）通以高頻電流，就會使得等離于體內部的磁場發(fā)生振蕩，激勵起強烈的螺旋波。這就是說，從外部投人的高頻能量變成了等離于體內部的波動（集體運動）能量。在波的電場作用下，一個一個的電子受到加速、減速，最終電子的動能增大，等離子體得到維持。 這種能量從波到電子的轉移機制是比較復雜的，除了波的碰撞衰減之外，還有無碰撞狀態(tài)下的朗道衰減以及存在于天線正下方的駐波對電子的直接加速作用等。
3.微波等離子清洗機
微波等離子清洗機的核心部件在于：可匹配調諧的波導管和等離子發(fā)生器，這兩個部件的設計和工藝與國外先進技術還存在不小的差距。國產(chǎn)實驗型微波等離子清洗機已經(jīng)有在使用；而用于大規(guī)模工業(yè)清洗的微波等離子清洗機，還鮮有看到。
工業(yè)應用的一般都屬于表面波型，其工作模式是通過輻射微波電磁場直接將氣體擊穿實現(xiàn)放電，一般要求放電氣壓高，因為沒有離子的加速作用，其電子密度較高，對于有機物的去除和材料表面活化的效率是比較高的。微波等離子體放電狀態(tài)如圖3所示
微波等離子清洗機需要提升的幾個方面包括：
①放電氣壓高帶來的問題是等離子體局域化比較嚴重，縱深清洗比較差，不利于多層面的大尺度的清洗處理；
②微波電磁場對電子元器件多少會有一定電磁輻射作用，有可能會造成電子元器件的擊穿損傷。
③設備造價高，維修保養(yǎng)不是很方便。
通過等離子清洗機實驗我們了解到，在0.1T量級的磁場中以1kW左右的微波（通常采用頻率為2.45 GHz）從真空窗入射，即使在很低的壓強（0.05 Pa~0.5Pa）條件下也可以生成高密度（1017m-3）的等離子體。能夠這樣高效的生成等離子體的原因正是等離子體共振現(xiàn)象。利用磁場中電子回旋共振（Electron cyclotron resonance，ECR）的等離子體發(fā)生裝置模型如圖1所示:
圖1 利用電子回旋共振在低氣壓下面形成的ECR等離子體
我們知道當有磁場存在時，電子便會在洛侖茲力的作用下作環(huán)繞磁力線的回旋運動。這種運動的頻率由磁場強度所決定：ωe/2π=eB/2πme（電子回旋頻率）。當B=0.0875T時，回旋頻率為2.45 GHz。如果從外部施加同一頻率的振蕩電場，作回旋運動的電子會受到同相位電場的作用而被“直流式”的持續(xù)加速。因此，當電場角頻率ω與電子回旋角頻率ωe一致時，就會發(fā)生電子的共振加速，電子因此獲得較高的動能，這種現(xiàn)象便被稱為電子回旋共振。
利用這個原理的ECR等離子體裝置，由于吸收了微波能量的高速電子頻繁的引起電離，即便在低氣壓下也可以獲得高密度等離子體。表1給出ECR等離子體與容性射頻耦合等離子體的參數(shù)比較，從中可以看出 ECR等離子體具有更高的離化效率。ECR等離子體在半導體技術中具有非常重要的應用。
表1 ECR等離子體與RF平板容性等離子體的特性參數(shù)比較
2. 螺旋波等離子體
據(jù)研究，在等離子清洗機的磁場中給天線通以頻率遠低于電子回旋頻率（ω<<ωc）的高頻電流，即使在低氣壓下也容易地生成高密度的等離子體，這樣生成的等離子體叫做螺旋波等離子體（Helicon wave plasma）。圖2所示為這種裝置的一個實例，天線部分的直徑為0.1m左右，在0.01 T量級的弱磁場中對天線輸入13.56MHz、1kW的高頻信號后就可以在1~5Pa的壓強下得到密度為1018~1019m-3的強電離等離子體。這種等離子體的生成機制與被稱為螺旋波的波動有著密切的關系。
圖2 利用激勵螺旋波生成高密度等離子體
螺旋波是指沿磁力線方向傳播的右旋圓偏振波的低頻部分（ω<<ωc）,螺旋波的波長近似與磁場成正比例、與等離子體密度成反比例。在圖2中，若給環(huán)繞石英管的天線（用于激勵m=1的模式）通以高頻電流，就會使得等離于體內部的磁場發(fā)生振蕩，激勵起強烈的螺旋波。這就是說，從外部投人的高頻能量變成了等離于體內部的波動（集體運動）能量。在波的電場作用下，一個一個的電子受到加速、減速，最終電子的動能增大，等離子體得到維持。 這種能量從波到電子的轉移機制是比較復雜的，除了波的碰撞衰減之外，還有無碰撞狀態(tài)下的朗道衰減以及存在于天線正下方的駐波對電子的直接加速作用等。
3.微波等離子清洗機
微波等離子清洗機的核心部件在于：可匹配調諧的波導管和等離子發(fā)生器，這兩個部件的設計和工藝與國外先進技術還存在不小的差距。國產(chǎn)實驗型微波等離子清洗機已經(jīng)有在使用；而用于大規(guī)模工業(yè)清洗的微波等離子清洗機，還鮮有看到。
工業(yè)應用的一般都屬于表面波型，其工作模式是通過輻射微波電磁場直接將氣體擊穿實現(xiàn)放電，一般要求放電氣壓高，因為沒有離子的加速作用，其電子密度較高，對于有機物的去除和材料表面活化的效率是比較高的。微波等離子體放電狀態(tài)如圖3所示
圖3 微波等離子體放電狀態(tài)
微波等離子清洗機需要提升的幾個方面包括：
①放電氣壓高帶來的問題是等離子體局域化比較嚴重，縱深清洗比較差，不利于多層面的大尺度的清洗處理；
②微波電磁場對電子元器件多少會有一定電磁輻射作用，有可能會造成電子元器件的擊穿損傷。
③設備造價高，維修保養(yǎng)不是很方便。
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