新型低温等离子体技术及应用

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1、广东技术师范学院学报（自然科学）2010年第1期JournalofGuangdongPolytechnicNormalUniversityNo．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

2、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：O434.14文献标识码：A文章编号：1672-402X（2010）01-0022-04它的回旋频率和沿磁场方向传播的右旋极化微波频0引言率2450MHz相等，电子在微波电场中将被不断同步大量的粒子在热激发、光激发、电激发下会产生加速而获得的能量大于离子获得的能量，使得即使电离，形成由离子、电子、自由基、及中性粒子组成的在接近常温下，如果在两次碰撞之间电子共振吸收空间体系，当

3、带电粒子密度达到其建立的空间电荷微波的能量大于气体粒子的电离能、分子离解能或足以限制其自身的运动时，这种电离气体就成了等某一状态的激发能，那么将产生碰撞电离、分子离解离子体.等离子态体的基本性质在于它的准电中性，和粒子激活，从而实现等离子体放电和获得活性反即等离子体中的正电粒子数和负电粒子数相当.在应粒子，形成高密度的ECR低温等离子体.等离子体内，电子和离子质量的巨大差导致存在两ECR等离子体有如下的优点：1.等离子体密度种不同的温度（能量），如果电子温度远大于离子温1012-3高，约有10～10cm；2.离子能量低，避免了离子

4、轰4度，既电子温度在10K以上，而重粒子的温度却可击造成的材料表面损伤和缺陷的产生；3.无内电极低至几百K，这种等离子体称为低温非平衡等离子放电无污染；4.磁场约束，减少了等离子体与器壁的体.低气压低温等离子体由于其一系列特殊的性质，-2-1作用；5.放电气压低，约有10-10Pa；6.能量转换在材料表面改性、等离子体溅射和化学气相沉积薄率高，电离度高（>10%），对微波的吸收率高达95%膜、等离子体清洗、微电路干法刻蚀等方面有更广泛以上；7.低温下激发的高密度活性基有利于高温材［1-4］的应用.料的低温合成.上述优点使得ECR等

5、离子体在等离本文主要介绍目前得到广泛研究与应用的几种子体微细干法刻蚀、等离子体辅助化学气相沉积、材新型低温低气压辉光放电等离子体，即电子回旋共［5,6］料表面处理等方面具有广泛的应用前景.振ECR等离子体等离子体(ECR:ElectronCyclotronECR等离子体化学气相沉积（ECR-PECVD）采Resonance)、射频感应耦合等离子体（ICP：Inductively用ECR等离子体辅助，充分利用磁场对等离子体的CoupledPlasma）、螺旋波等离子体(HWP:Helicon定向输运和约束，以及离子轰击能低、等离子体

6、密度WavePlasma).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1电子回旋共振等离子体服了薄膜在生长过程中因高温造成晶格热失配而产电子回旋共振（ECR）是指在磁场中受洛伦兹力生的晶格缺陷和裂痕，保证了高质量薄膜的生长.这作用作回旋运动的电子，在磁场强度为875Gauss处一工艺有效弥补了目前常用的基于直接加热分解技收稿日期：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。第1期王春安闫俊虎：新型

7、低温等离子体技术及应用·23·术的有机金属化学气相沉积(MOCVD)方法生长薄膜［7］温度高、工艺复杂、成本高的不足.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

8、等均可以在这一区域完成.如FuSL等人采0用ECR-PECVD工艺，在T=450C低温下制备出了GaN［8］薄膜.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ICP等离子体除了具有ECR等离子体的无内电20世纪初Thomso