等離子清洗機(jī)有電子回旋共振和螺旋波等離子體嗎？
文章導(dǎo)讀：國(guó)內(nèi)技術(shù)比較成熟的真空（低壓）等離子清洗機(jī)包括：電容耦合等離子清洗機(jī)（CCP）和電感耦合等離子清洗機(jī)（ICP），而微波等離子清洗機(jī)相對(duì)比較少見。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和新材料等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，微波等離子體表面處理技術(shù)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(diǎn)。
1.電子回旋共振（ECR）等離子體
通過等離子清洗機(jī)實(shí)驗(yàn)我們了解到，在0.1T量級(jí)的磁場(chǎng)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(qiáng)（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(chǎng)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(dāng)有磁場(chǎng)存在時(shí)，電子便會(huì)在洛侖茲力的作用下作環(huán)繞磁力線的回旋運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)的頻率由磁場(chǎng)強(qiáng)度所決定：ωe/2π=eB/2πme（電子回旋頻率）。當(dāng)B=0.0875T時(shí)，回旋頻率為2.45 GHz。如果從外部施加同一頻率的振蕩電場(chǎng)，作回旋運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)受到同相位電場(chǎng)的作用而被“直流式”的持續(xù)加速。因此，當(dāng)電場(chǎng)角頻率ω與電子回旋角頻率ωe一致時(shí)，就會(huì)發(fā)生電子的共振加速，電子因此獲得較高的動(dòng)能，這種現(xiàn)象便被稱為電子回旋共振。
利用這個(gè)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(dǎo)體技術(shù)中具有非常重要的應(yīng)用。
2. 螺旋波等離子體
據(jù)研究，在等離子清洗機(jī)的磁場(chǎng)中給天線通以頻率遠(yuǎn)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(gè)實(shí)例，天線部分的直徑為0.1m左右，在0.01 T量級(jí)的弱磁場(chǎng)中對(duì)天線輸入13.56MHz、1kW的高頻信號(hào)后就可以在1~5Pa的壓強(qiáng)下得到密度為1018~1019m-3的強(qiáng)電離等離子體。這種等離子體的生成機(jī)制與被稱為螺旋波的波動(dòng)有著密切的關(guān)系。
在圖2中，若給環(huán)繞石英管的天線（用于激勵(lì)m=1的模式）通以高頻電流，就會(huì)使得等離于體內(nèi)部的磁場(chǎng)發(fā)生振蕩，激勵(lì)起強(qiáng)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(nèi)部的波動(dòng)（集體運(yùn)動(dòng)）能量。在波的電場(chǎng)作用下，一個(gè)一個(gè)的電子受到加速、減速，最終電子的動(dòng)能增大，等離子體得到維持。 這種能量從波到電子的轉(zhuǎn)移機(jī)制是比較復(fù)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(duì)電子的直接加速作用等。
3.微波等離子清洗機(jī)
微波等離子清洗機(jī)的核心部件在于：可匹配調(diào)諧的波導(dǎo)管和等離子發(fā)生器，這兩個(gè)部件的設(shè)計(jì)和工藝與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)還存在不小的差距。國(guó)產(chǎn)實(shí)驗(yàn)型微波等離子清洗機(jī)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(jī)，還鮮有看到。
工業(yè)應(yīng)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(chǎng)直接將氣體擊穿實(shí)現(xiàn)放電，一般要求放電氣壓高，因?yàn)闆]有離子的加速作用，其電子密度較高，對(duì)于有機(jī)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(jī)需要提升的幾個(gè)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(yán)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(chǎng)對(duì)電子元器件多少會(huì)有一定電磁輻射作用，有可能會(huì)造成電子元器件的擊穿損傷。
③設(shè)備造價(jià)高，維修保養(yǎng)不是很方便。
通過等離子清洗機(jī)實(shí)驗(yàn)我們了解到，在0.1T量級(jí)的磁場(chǎng)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(qiáng)（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(chǎng)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(dāng)有磁場(chǎng)存在時(shí)，電子便會(huì)在洛侖茲力的作用下作環(huán)繞磁力線的回旋運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)的頻率由磁場(chǎng)強(qiáng)度所決定：ωe/2π=eB/2πme（電子回旋頻率）。當(dāng)B=0.0875T時(shí)，回旋頻率為2.45 GHz。如果從外部施加同一頻率的振蕩電場(chǎng)，作回旋運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)受到同相位電場(chǎng)的作用而被“直流式”的持續(xù)加速。因此，當(dāng)電場(chǎng)角頻率ω與電子回旋角頻率ωe一致時(shí)，就會(huì)發(fā)生電子的共振加速，電子因此獲得較高的動(dòng)能，這種現(xiàn)象便被稱為電子回旋共振。
利用這個(gè)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(dǎo)體技術(shù)中具有非常重要的應(yīng)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(jī)的磁場(chǎng)中給天線通以頻率遠(yuǎn)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(gè)實(shí)例，天線部分的直徑為0.1m左右，在0.01 T量級(jí)的弱磁場(chǎng)中對(duì)天線輸入13.56MHz、1kW的高頻信號(hào)后就可以在1~5Pa的壓強(qiáng)下得到密度為1018~1019m-3的強(qiáng)電離等離子體。這種等離子體的生成機(jī)制與被稱為螺旋波的波動(dòng)有著密切的關(guān)系。
圖2 利用激勵(lì)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(zhǎng)近似與磁場(chǎng)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(lì)m=1的模式）通以高頻電流，就會(huì)使得等離于體內(nèi)部的磁場(chǎng)發(fā)生振蕩，激勵(lì)起強(qiáng)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(nèi)部的波動(dòng)（集體運(yùn)動(dòng)）能量。在波的電場(chǎng)作用下，一個(gè)一個(gè)的電子受到加速、減速，最終電子的動(dòng)能增大，等離子體得到維持。 這種能量從波到電子的轉(zhuǎn)移機(jī)制是比較復(fù)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(duì)電子的直接加速作用等。
3.微波等離子清洗機(jī)
微波等離子清洗機(jī)的核心部件在于：可匹配調(diào)諧的波導(dǎo)管和等離子發(fā)生器，這兩個(gè)部件的設(shè)計(jì)和工藝與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)還存在不小的差距。國(guó)產(chǎn)實(shí)驗(yàn)型微波等離子清洗機(jī)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(jī)，還鮮有看到。
工業(yè)應(yīng)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(chǎng)直接將氣體擊穿實(shí)現(xiàn)放電，一般要求放電氣壓高，因?yàn)闆]有離子的加速作用，其電子密度較高，對(duì)于有機(jī)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(jī)需要提升的幾個(gè)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(yán)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(chǎng)對(duì)電子元器件多少會(huì)有一定電磁輻射作用，有可能會(huì)造成電子元器件的擊穿損傷。
③設(shè)備造價(jià)高，維修保養(yǎng)不是很方便。
親，如果您對(duì)等離子清洗機(jī)感興趣或者想了解更多詳細(xì)信息，歡迎點(diǎn)擊普樂斯的在線客服進(jìn)行咨詢，或者直接撥打全國(guó)統(tǒng)一服務(wù)熱線400-816-9009，普樂斯恭候您的來電！
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