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【摘 要】等离子体是物质存在的又一种基本形态，产生等离子体的方式也多种多样。螺旋波等离子体源作为一种高密度源，该等离子体源中螺旋波由射频天线激励并沿轴向磁场方向在有限直径的圆柱形等离子体柱中传播，具有哨声波和横波模式结构，由于其电离效率高、磁场约束低、操作简单等优点，在材料领域都有着非常广阔的应用前景。本文主要介绍了螺旋波等离子体基本特征，包括色散关系以及天线特征。在材料应用方面，针对国内外螺旋波等离子体薄膜沉积和刻蚀技术的研究进行了基本综述。
【关键词】螺旋波;高密度等离子体;等离子体-材料相互作用;应用
1.前言
人们现在知晓的三种物质状态（固、液、气）在一定状况下是可以相互转换的，固体加热到了一定温度会变为液体，液体加热到了一定温度会变为气体，如果对气体采取某种加热手段，使气体分子离解和电离[1]，这时物质会变成带正电的原子核和带负电的电子组成的一团均匀的流体，它的正负电荷总量相等，因此它是近似电中性的，所以就叫等离子体。
现阶段有许多产生等离子体的方式，螺旋波等离子体源因为其电离效率高、磁场约束低等优势已经开始广受人们关注。因此，这种优势的高密度源有多种应用，如在材料领域中应用其进行薄膜沉积和刻蚀，在航空航天领域的等离子体推力器等。目前所有的螺旋波等离子体材料处理设备中，处理腔室都被设计在源区的下游。在螺旋波放电中，典型的等离子体电位值非常低，约15-20v，与电子回旋共振类似，但它所需的磁感应强度比电子回旋共振所需的875Gs低得多[2]。国内的研究人员们对螺旋波等离子体在许多不同的方向开展了研究，随着螺旋波等离子体逐渐受到重视，在未来会有着非常大的应用和潜力价值。
2.螺旋波等离子体的基本特征
螺旋波是在有限直径、轴向磁化的圆柱形等离子体中传播的具有哨声波模式的波，它由射频驱动天线激发，并通过石英管发射到等离子体中，在那里螺旋波具有横波模式，并沿着等离子体柱传播，电磁波的能量则通过碰撞或无碰撞阻尼被电子吸收，促进等离子体的产生[2]。其频率比电子回旋频率大，比离子回旋频率小。
2.1.螺旋波的色散关系
螺旋波模式是由与磁场B0成同一角度传播的多个低频哨声波叠加而成的[2]，其色散关系式：
a为管径，对于给定的n0、B0，色散关系就是一条直线，或者对于给定的ω、k，n/B 就是常数。例如，实验上如果ω、B0固定，k就由天线长度确定[2]。Ef为电离截面峰值，氩气为50ev，氢气为80ev，氧气为90ev[3]。
2.2.天线
天线是螺旋波等离子体源中不可或缺的一部分，利用天线的特殊结构可以向等离子体发射螺旋波。天线结构的改变会导致螺旋波相速度的变化，此变化又会对螺旋波等离子体的电场和磁场结构造成影响，最终影响功率沉积和能量耦合，所以对不同种类的天线进行研究是非常有意义的。现阶段到目前为止，在国内杜丹等人[4]针对天线长度对波吸收和传播的影响进行了模拟，结果表明了天线的轴向长度与总辐射能量和辐射电阻有一定关系。平兰兰等人[5]根据功率沉积和能量耦合对天线进行了优化设计，得出了最佳的结构与尺寸。Ph.Guittienne等人[6]研究了一种新型鸟笼型天线，相比与传统天线有更好的效果。
2.2.1.Boswell型天线
Boswell型天线是螺旋波等离子体源中最为典型的天线之一，图2-1为Boswell型天线，该天线能够在横向产生射频磁场，该磁场通过耦合到波磁场的径向分量来激励螺旋波[7]。
2.2.2.名古屋型天线
Chen在对螺旋波等离子体了解后，产生了极大的兴趣，在天线进行了大量的研究，感兴趣的读者可以参考Chen1992年的文章。名古屋型天线的方位角模数为1，如图2-2所示，为全波长的名古屋型天线，实际实验中我们通常使用这个天线的一半就足够了。电流从中心流出，绕着等离子体到达顶部，这时等离子体会感应出与电流方向相反电场Em，在电场Em的作用下正负电荷发生分离，电子向天线末端移动，形成一个射频电场Es，与此同时，底部附近产生了相反的电流和电荷。在轴向上，Em和Es方向相反并基本完全抵消，在径向上，由于空间电荷的影响，也会产生一个垂直与B0的电场，方向与Em相同，在这两个电场的叠加下，可以将能量耦合给螺旋波。
除上述两种典型天线以外，左螺旋型天线以及右螺旋型天线也是比较常规的天线。在这几种天线中，半波长的右螺旋型天线效率最高。研究表明天线长度为螺旋波波长一半、或一半波长的奇数倍时电源能量耦合效率最高，天线长度为螺旋波波长、或一半波长偶数倍时耦合效率最低[8]。
3.螺旋波等离子体在材料中应用
3.1.薄膜沉积
由于螺旋波等离子体高效率、高密度以及磁场约束大等特点，利用螺旋波等离子体进行薄膜沉积具有诸多优势。现阶段国内外对螺旋波等离子体薄膜沉积的研究也比较重视，开展了较多实验。
于威等人[9]采用螺旋波等离子体化学气相沉积技术，以SiH4作为源反应气体在Si和玻璃衬底上制备了纳米Si薄膜。结果表明，衬底温度与纳米薄膜的质量有关系，在较低的温度下，颗粒大小保持在4-8mm之间，样品的表面光滑，晶粒分布均匀，所获得的纳米Si薄膜质量高。随着衬底温度的提高，薄膜晶化度和晶粒尺寸的增加。G.S.Fu等人[10]研究了ZnO的薄膜生成，结果表明ZnO薄膜有着很好的c轴择优取向，通过霍尔效应的测量的结果显示，沉积薄膜的迁移率可达到5cm2/（v.s）[10]。C Sarra-Bournet等人[11]利用在Ar/O2/N2混合气体，采用螺旋波等离子在以玻璃和硅片为基底上沉积了二氧化钛薄膜。研究结果表明，在低温条件下可以制备出结晶态二氧化钛薄膜，同时利用氮可以控制所需的晶体结构。苏州大学於俊等人[12]采用不同比例N2/Ar螺旋波等离子体对Si表面进行氮化处理合成SiON。通过研究发现，当温度为室温时，内层以Si3N4为主，外层以SiON为主[12]，并且随着N2含量的增多表面会越来越平整，同时还发现了样品表面疏水性能与等离子体的处理有一定关系，当使用等离子体处理后，疏水性能提高。苏州大学钱嘉伟[13]使用螺旋波等离子体源在硅衬底表面快速沉积碳纳米材料。结果显示，随着磁场的增加，薄膜生长速率随着等离子体密度变化增加而增加，并且当薄膜在2100Gs时，最低摩擦系数为0.005。当磁场变大时，薄膜也更为致密[13]。季佩宇等人[14]通过Ar/CH4螺旋波等离子化学气相沉积法制备了垂直石墨烯纳米片，通过改变生长时间实现了对垂直石墨烯纳米片参数的调制。结果表明，垂直石墨烯纳米片的高度随时间呈现线性变化，由4min时的1.2μm增加到25min时的6.2μm，平均生长速率为0.26μm/min。隨生长时间的增加，垂直石墨烯纳米片尺寸增加，最终导致结晶度增加。 3.2.刻蚀
在刻蚀上相较于电容耦合等离子体源与电感耦合等离子体源，螺旋波等离子体源有着更加高的电子密度，而高密度的等离子体源可以有效的提高刻蚀速率。Chen在早些年提出[15]以迷你放电为基本单元的大型阵列螺旋波等离子体源，在扩展区中两边通过电磁铁对等离子体进行改善径向约束，从而进行刻蚀由于需要很大的电磁铁，这种装置不适合大规模制造，也没有被半导体工业采用。但关于螺旋波等离子体的刻蚀研究没有就此停止。
H.Kitagawa等人[16]通过NF3螺旋波等离子体对硅进行刻蚀研究。结果表明，气压会影响硅的刻蚀速率，气压越低，刻蚀速率也越低，并且腔室中的低磁场会使刻蚀变得更加均匀。Jung-Hyung Kim等人[17]研究了脉冲调制螺旋波等离子体中的多晶硅刻蚀。研究发现，在脉冲模式下与自偏压成正比的抗蚀率高于连续模式。通过调节调制频率可提高刻蚀速率和选择性。P.Chabert等人[18]研究了SF6螺旋波等离子体对4H-SiC的刻蚀速率与气压、功率、衬底偏置电压、基片台及螺旋波源间距的关系。在确保良好均勻性的前提下，最高刻蚀速率达到1.35μm/min在4H-SiC基片上的刻蚀深度为330μm。Hyoun Woo Kim等人[19]利用O2/Cl2螺旋波等离子体刻蚀Ru进行了研究。结果表明，当Cl2/（O2+Cl2）气体流量为20%时，达到最大刻蚀速率0.00056μm/min。腔室压力对Ru的刻蚀速率也有很大影响。Ru的刻蚀速率随着压力增加而增加。在高压下，存在较多自由基，产生较多挥发性的RuO4是提高刻蚀速率的原因。他们针对ICP和HWP两种不同等离子体源对Ru的刻蚀也做了研究[20]，结果表明，无论在哪种等离子体源下，Ru的刻蚀速率在Cl2/（O2+Cl2）气体流量比0.1-0.3范围内达到最大值，且随总气体流量的增加而增加。ICP刻蚀Ru表面为纯Ru，而螺旋等离子体刻蚀Ru表面为非晶和RuO2组成。J.Sporre[21]等人采用螺旋波氢等离子体对EUV光学元件Sn刻蚀做了相关研究，结果表明，在2000W的射频功率下，可以在6分钟内从一个1cm2基板上完全蚀刻超过240mm的锡，蚀刻速率约为38mm/min。
4.结论以及未来展望
本文主要针对等离子体与材料的相互作用，介绍了一种高密度的螺旋波等离子体源。首先，介绍了螺旋波等离子体的基本特征，讨论了螺旋波的色散关系、天线种类以及原理，这些特征对于理解螺旋波等离子体是非常必要的。而后，对螺旋波等离子体在材料领域中的研究进行了综述。
对于未来螺旋波等离子体还有很长的一段路要走，在未来的发展需要达到以下目标：
（1）通过射频功率能高效率的将能量耦合到螺旋波等离子体中，但对于其中的物理机制，现在还尚不明确。Shamrai提出TG模式吸收机理，TG模式吸收机理认为螺旋波的等离子体源中有两种波，即螺旋波和 TG波。螺旋波位于等离子体内部与表面的TG波耦合，TG波属准静电波在等离子体表面吸收能量[22]。弱螺旋波阻尼和强TG波阻尼致使螺旋波放电产生等离子体的高电离效率，这是目前人们普遍接受的机制。
（2）螺旋波等离子体源基本现象的深入研究，如低磁场峰现象，在磁场60Gs左右时，会出现一个等离子体密度峰值，因为螺旋波从末端边界反射（导体和绝缘体的相位相反），从而增加电离和密度。低场峰的物理机制既然对了解等离子体特性有所帮助，也能促进螺旋波等离子体源的发展和设计。
（3）应用，在工业应用方面，除了现有的等离子体蚀刻、沉积、电推力器和材料表面处理工艺外，还可以在环境和医疗领域进行研发。希望在不久的将来能发挥重要作用。
参考文献：
[1]赵化侨编著. 等离子体化学与工艺[M]. 合肥：中国科学技术大学出版社，1993.02.
[2]迈克尔·A.力伯曼（Michael A.Lieberman）著;蒲以康译. 等离子体放电与材料工艺原理 第2版[M].北京：电子工业出版社，2018.01.
[3]N. Sharma，M. Chakraborty，N.K. Neog，M. Bandyopadhyay. Design of a helicon plasma source for ion–ion plasma production[J]. Fusion Engineering and Design，2017，117.
[4]杜丹，李帅，阳璞琼，冯军，向东，龚学余. 螺旋天线轴向长度对螺旋波传播、吸收的影响[J]. 计算物理：1-12.
[5]平兰兰，张新军，杨桦，徐国盛，苌磊，吴东升，吕虹，郑长勇，彭金花，金海红，何超，甘桂华.螺旋波等离子体原型实验装置中天线的优化设计与功率沉积[J].物理学报，2019，68（20）：229-239.
[6]Guittienne P，Chevalier E，Hollenstein C . Towards an optimal antenna for helicon waves excitation[J]. Journal of Applied Physics，2005，98（8）：1147.
[7]房同珍.螺旋波激发等离子体源的原理和应用[J].物理，1999（03）：38-43.
[8]L.Porte，S.M.Yun，D.Amush，F.F.Chen，Plasma Sources Sci.Technol.，2003，12：287.
[9]于威，朱海丰，王保柱，韩理，傅广生.螺旋波等离子体沉积纳米硅薄膜结构特性[J].功能材料与器件学报，2004（02）：177-181.
[10]Guangsheng，Fu，and，et al. Epitaxial growth of ZnO films by helicon-wave-plasma-assisted sputtering[J]. Physica B Condensed Matter，2006. [11]Sarra-Bournet C，Charles C，Boswell R .Characterization of nanocrystalline N-doped titanium oxide obtained by N2/O2/Ar low-field helicon plasma sputtering[J]. Journal of Physics D Applied Physics，2011，44（45）：455202.
[12]於俊，黄天源，季佩宇，金成刚，诸葛兰剑，吴雪梅.螺旋波等离子体合成SiON薄膜及其特性[J].科学通报，2017，62（19）：2125-2131.
[13]钱嘉伟. 磁场对螺旋波等离子体合成碳纳米（DLC）材料影响的实验研究[D].苏州大学，2020.
[14]Peiyu Ji，Jiali Chen，Tianyuan Huang，Chenggang Jin，Lanjian Zhuge，Xuemei Wu. Fast preparation of vertical graphene nanosheets by helicon wave plasma chemical vapor deposition and its electrochemical performance[J]. Diamond & Related Materials，2020，108.
[15]Francis F Chen. Helicon discharges and sources：a review This article was originally part of the special ‘Interaction of electromagnetic waves with low-temperature plasmas’，published in PSST，vol 23，issue 6 .[J]. Plasma Sources Science and Technology，2015，24（1）.
[16]Kitagawa H，Tsunoda A，Shindo H，et al. Etching characteristics in helicon wave plasma[J]. Plasma Sources ence and Technology，1993，2（1）：11.
[17]Kim J H，Kang C J，Ahn T H，et al. Characteristics of self bias voltage and poly-Si etching in pulsed helicon wave plasma[J]. Thin Solid Films，1999，345（1）：124-129.
[18]Chabert P，Proust N，Perrin J，et al. High rate etching of 4H-SiC using a SF6/O2 helicon plasma[J]. Applied Physics Letters，2000，76（16）：2310-2312.
[19]Hyoun，Woo，Kim，et al. Study of Ru etching using O2/Cl2 helicon plasmas[J]. Materials Science and Engineering：B，2002.
[20]Kim H . Characteristics of Ru etching using ICP and helicon O2/Cl2 plasmas[J]. Thin Solid Films，2005，475（1-2）：32-35.
[21]Sporre J，Elg D，Andruczyk D，et al. In-situ Sn contamination removal by hydrogen plasma[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering，2012：82.
[22]趙高. 螺旋波等离子体源实验及特性研究[D].北京印刷学院，2015.
（作者单位：成都大学 机械工程学院）
【关键词】螺旋波;高密度等离子体;等离子体-材料相互作用;应用
1.前言
人们现在知晓的三种物质状态（固、液、气）在一定状况下是可以相互转换的，固体加热到了一定温度会变为液体，液体加热到了一定温度会变为气体，如果对气体采取某种加热手段，使气体分子离解和电离[1]，这时物质会变成带正电的原子核和带负电的电子组成的一团均匀的流体，它的正负电荷总量相等，因此它是近似电中性的，所以就叫等离子体。
现阶段有许多产生等离子体的方式，螺旋波等离子体源因为其电离效率高、磁场约束低等优势已经开始广受人们关注。因此，这种优势的高密度源有多种应用，如在材料领域中应用其进行薄膜沉积和刻蚀，在航空航天领域的等离子体推力器等。目前所有的螺旋波等离子体材料处理设备中，处理腔室都被设计在源区的下游。在螺旋波放电中，典型的等离子体电位值非常低，约15-20v，与电子回旋共振类似，但它所需的磁感应强度比电子回旋共振所需的875Gs低得多[2]。国内的研究人员们对螺旋波等离子体在许多不同的方向开展了研究，随着螺旋波等离子体逐渐受到重视，在未来会有着非常大的应用和潜力价值。
2.螺旋波等离子体的基本特征
螺旋波是在有限直径、轴向磁化的圆柱形等离子体中传播的具有哨声波模式的波，它由射频驱动天线激发，并通过石英管发射到等离子体中，在那里螺旋波具有横波模式，并沿着等离子体柱传播，电磁波的能量则通过碰撞或无碰撞阻尼被电子吸收，促进等离子体的产生[2]。其频率比电子回旋频率大，比离子回旋频率小。
2.1.螺旋波的色散关系
螺旋波模式是由与磁场B0成同一角度传播的多个低频哨声波叠加而成的[2]，其色散关系式：
a为管径，对于给定的n0、B0，色散关系就是一条直线，或者对于给定的ω、k，n/B 就是常数。例如，实验上如果ω、B0固定，k就由天线长度确定[2]。Ef为电离截面峰值，氩气为50ev，氢气为80ev，氧气为90ev[3]。
2.2.天线
天线是螺旋波等离子体源中不可或缺的一部分，利用天线的特殊结构可以向等离子体发射螺旋波。天线结构的改变会导致螺旋波相速度的变化，此变化又会对螺旋波等离子体的电场和磁场结构造成影响，最终影响功率沉积和能量耦合，所以对不同种类的天线进行研究是非常有意义的。现阶段到目前为止，在国内杜丹等人[4]针对天线长度对波吸收和传播的影响进行了模拟，结果表明了天线的轴向长度与总辐射能量和辐射电阻有一定关系。平兰兰等人[5]根据功率沉积和能量耦合对天线进行了优化设计，得出了最佳的结构与尺寸。Ph.Guittienne等人[6]研究了一种新型鸟笼型天线，相比与传统天线有更好的效果。
2.2.1.Boswell型天线
Boswell型天线是螺旋波等离子体源中最为典型的天线之一，图2-1为Boswell型天线，该天线能够在横向产生射频磁场，该磁场通过耦合到波磁场的径向分量来激励螺旋波[7]。
2.2.2.名古屋型天线
Chen在对螺旋波等离子体了解后，产生了极大的兴趣，在天线进行了大量的研究，感兴趣的读者可以参考Chen1992年的文章。名古屋型天线的方位角模数为1，如图2-2所示，为全波长的名古屋型天线，实际实验中我们通常使用这个天线的一半就足够了。电流从中心流出，绕着等离子体到达顶部，这时等离子体会感应出与电流方向相反电场Em，在电场Em的作用下正负电荷发生分离，电子向天线末端移动，形成一个射频电场Es，与此同时，底部附近产生了相反的电流和电荷。在轴向上，Em和Es方向相反并基本完全抵消，在径向上，由于空间电荷的影响，也会产生一个垂直与B0的电场，方向与Em相同，在这两个电场的叠加下，可以将能量耦合给螺旋波。
除上述两种典型天线以外，左螺旋型天线以及右螺旋型天线也是比较常规的天线。在这几种天线中，半波长的右螺旋型天线效率最高。研究表明天线长度为螺旋波波长一半、或一半波长的奇数倍时电源能量耦合效率最高，天线长度为螺旋波波长、或一半波长偶数倍时耦合效率最低[8]。
3.螺旋波等离子体在材料中应用
3.1.薄膜沉积
由于螺旋波等离子体高效率、高密度以及磁场约束大等特点，利用螺旋波等离子体进行薄膜沉积具有诸多优势。现阶段国内外对螺旋波等离子体薄膜沉积的研究也比较重视，开展了较多实验。
于威等人[9]采用螺旋波等离子体化学气相沉积技术，以SiH4作为源反应气体在Si和玻璃衬底上制备了纳米Si薄膜。结果表明，衬底温度与纳米薄膜的质量有关系，在较低的温度下，颗粒大小保持在4-8mm之间，样品的表面光滑，晶粒分布均匀，所获得的纳米Si薄膜质量高。随着衬底温度的提高，薄膜晶化度和晶粒尺寸的增加。G.S.Fu等人[10]研究了ZnO的薄膜生成，结果表明ZnO薄膜有着很好的c轴择优取向，通过霍尔效应的测量的结果显示，沉积薄膜的迁移率可达到5cm2/（v.s）[10]。C Sarra-Bournet等人[11]利用在Ar/O2/N2混合气体，采用螺旋波等离子在以玻璃和硅片为基底上沉积了二氧化钛薄膜。研究结果表明，在低温条件下可以制备出结晶态二氧化钛薄膜，同时利用氮可以控制所需的晶体结构。苏州大学於俊等人[12]采用不同比例N2/Ar螺旋波等离子体对Si表面进行氮化处理合成SiON。通过研究发现，当温度为室温时，内层以Si3N4为主，外层以SiON为主[12]，并且随着N2含量的增多表面会越来越平整，同时还发现了样品表面疏水性能与等离子体的处理有一定关系，当使用等离子体处理后，疏水性能提高。苏州大学钱嘉伟[13]使用螺旋波等离子体源在硅衬底表面快速沉积碳纳米材料。结果显示，随着磁场的增加，薄膜生长速率随着等离子体密度变化增加而增加，并且当薄膜在2100Gs时，最低摩擦系数为0.005。当磁场变大时，薄膜也更为致密[13]。季佩宇等人[14]通过Ar/CH4螺旋波等离子化学气相沉积法制备了垂直石墨烯纳米片，通过改变生长时间实现了对垂直石墨烯纳米片参数的调制。结果表明，垂直石墨烯纳米片的高度随时间呈现线性变化，由4min时的1.2μm增加到25min时的6.2μm，平均生长速率为0.26μm/min。隨生长时间的增加，垂直石墨烯纳米片尺寸增加，最终导致结晶度增加。 3.2.刻蚀
在刻蚀上相较于电容耦合等离子体源与电感耦合等离子体源，螺旋波等离子体源有着更加高的电子密度，而高密度的等离子体源可以有效的提高刻蚀速率。Chen在早些年提出[15]以迷你放电为基本单元的大型阵列螺旋波等离子体源，在扩展区中两边通过电磁铁对等离子体进行改善径向约束，从而进行刻蚀由于需要很大的电磁铁，这种装置不适合大规模制造，也没有被半导体工业采用。但关于螺旋波等离子体的刻蚀研究没有就此停止。
H.Kitagawa等人[16]通过NF3螺旋波等离子体对硅进行刻蚀研究。结果表明，气压会影响硅的刻蚀速率，气压越低，刻蚀速率也越低，并且腔室中的低磁场会使刻蚀变得更加均匀。Jung-Hyung Kim等人[17]研究了脉冲调制螺旋波等离子体中的多晶硅刻蚀。研究发现，在脉冲模式下与自偏压成正比的抗蚀率高于连续模式。通过调节调制频率可提高刻蚀速率和选择性。P.Chabert等人[18]研究了SF6螺旋波等离子体对4H-SiC的刻蚀速率与气压、功率、衬底偏置电压、基片台及螺旋波源间距的关系。在确保良好均勻性的前提下，最高刻蚀速率达到1.35μm/min在4H-SiC基片上的刻蚀深度为330μm。Hyoun Woo Kim等人[19]利用O2/Cl2螺旋波等离子体刻蚀Ru进行了研究。结果表明，当Cl2/（O2+Cl2）气体流量为20%时，达到最大刻蚀速率0.00056μm/min。腔室压力对Ru的刻蚀速率也有很大影响。Ru的刻蚀速率随着压力增加而增加。在高压下，存在较多自由基，产生较多挥发性的RuO4是提高刻蚀速率的原因。他们针对ICP和HWP两种不同等离子体源对Ru的刻蚀也做了研究[20]，结果表明，无论在哪种等离子体源下，Ru的刻蚀速率在Cl2/（O2+Cl2）气体流量比0.1-0.3范围内达到最大值，且随总气体流量的增加而增加。ICP刻蚀Ru表面为纯Ru，而螺旋等离子体刻蚀Ru表面为非晶和RuO2组成。J.Sporre[21]等人采用螺旋波氢等离子体对EUV光学元件Sn刻蚀做了相关研究，结果表明，在2000W的射频功率下，可以在6分钟内从一个1cm2基板上完全蚀刻超过240mm的锡，蚀刻速率约为38mm/min。
4.结论以及未来展望
本文主要针对等离子体与材料的相互作用，介绍了一种高密度的螺旋波等离子体源。首先，介绍了螺旋波等离子体的基本特征，讨论了螺旋波的色散关系、天线种类以及原理，这些特征对于理解螺旋波等离子体是非常必要的。而后，对螺旋波等离子体在材料领域中的研究进行了综述。
对于未来螺旋波等离子体还有很长的一段路要走，在未来的发展需要达到以下目标：
（1）通过射频功率能高效率的将能量耦合到螺旋波等离子体中，但对于其中的物理机制，现在还尚不明确。Shamrai提出TG模式吸收机理，TG模式吸收机理认为螺旋波的等离子体源中有两种波，即螺旋波和 TG波。螺旋波位于等离子体内部与表面的TG波耦合，TG波属准静电波在等离子体表面吸收能量[22]。弱螺旋波阻尼和强TG波阻尼致使螺旋波放电产生等离子体的高电离效率，这是目前人们普遍接受的机制。
（2）螺旋波等离子体源基本现象的深入研究，如低磁场峰现象，在磁场60Gs左右时，会出现一个等离子体密度峰值，因为螺旋波从末端边界反射（导体和绝缘体的相位相反），从而增加电离和密度。低场峰的物理机制既然对了解等离子体特性有所帮助，也能促进螺旋波等离子体源的发展和设计。
（3）应用，在工业应用方面，除了现有的等离子体蚀刻、沉积、电推力器和材料表面处理工艺外，还可以在环境和医疗领域进行研发。希望在不久的将来能发挥重要作用。
参考文献：
[1]赵化侨编著. 等离子体化学与工艺[M]. 合肥：中国科学技术大学出版社，1993.02.
[2]迈克尔·A.力伯曼（Michael A.Lieberman）著;蒲以康译. 等离子体放电与材料工艺原理 第2版[M].北京：电子工业出版社，2018.01.
[3]N. Sharma，M. Chakraborty，N.K. Neog，M. Bandyopadhyay. Design of a helicon plasma source for ion–ion plasma production[J]. Fusion Engineering and Design，2017，117.
[4]杜丹，李帅，阳璞琼，冯军，向东，龚学余. 螺旋天线轴向长度对螺旋波传播、吸收的影响[J]. 计算物理：1-12.
[5]平兰兰，张新军，杨桦，徐国盛，苌磊，吴东升，吕虹，郑长勇，彭金花，金海红，何超，甘桂华.螺旋波等离子体原型实验装置中天线的优化设计与功率沉积[J].物理学报，2019，68（20）：229-239.
[6]Guittienne P，Chevalier E，Hollenstein C . Towards an optimal antenna for helicon waves excitation[J]. Journal of Applied Physics，2005，98（8）：1147.
[7]房同珍.螺旋波激发等离子体源的原理和应用[J].物理，1999（03）：38-43.
[8]L.Porte，S.M.Yun，D.Amush，F.F.Chen，Plasma Sources Sci.Technol.，2003，12：287.
[9]于威，朱海丰，王保柱，韩理，傅广生.螺旋波等离子体沉积纳米硅薄膜结构特性[J].功能材料与器件学报，2004（02）：177-181.
[10]Guangsheng，Fu，and，et al. Epitaxial growth of ZnO films by helicon-wave-plasma-assisted sputtering[J]. Physica B Condensed Matter，2006. [11]Sarra-Bournet C，Charles C，Boswell R .Characterization of nanocrystalline N-doped titanium oxide obtained by N2/O2/Ar low-field helicon plasma sputtering[J]. Journal of Physics D Applied Physics，2011，44（45）：455202.
[12]於俊，黄天源，季佩宇，金成刚，诸葛兰剑，吴雪梅.螺旋波等离子体合成SiON薄膜及其特性[J].科学通报，2017，62（19）：2125-2131.
[13]钱嘉伟. 磁场对螺旋波等离子体合成碳纳米（DLC）材料影响的实验研究[D].苏州大学，2020.
[14]Peiyu Ji，Jiali Chen，Tianyuan Huang，Chenggang Jin，Lanjian Zhuge，Xuemei Wu. Fast preparation of vertical graphene nanosheets by helicon wave plasma chemical vapor deposition and its electrochemical performance[J]. Diamond & Related Materials，2020，108.
[15]Francis F Chen. Helicon discharges and sources：a review This article was originally part of the special ‘Interaction of electromagnetic waves with low-temperature plasmas’，published in PSST，vol 23，issue 6 .[J]. Plasma Sources Science and Technology，2015，24（1）.
[16]Kitagawa H，Tsunoda A，Shindo H，et al. Etching characteristics in helicon wave plasma[J]. Plasma Sources ence and Technology，1993，2（1）：11.
[17]Kim J H，Kang C J，Ahn T H，et al. Characteristics of self bias voltage and poly-Si etching in pulsed helicon wave plasma[J]. Thin Solid Films，1999，345（1）：124-129.
[18]Chabert P，Proust N，Perrin J，et al. High rate etching of 4H-SiC using a SF6/O2 helicon plasma[J]. Applied Physics Letters，2000，76（16）：2310-2312.
[19]Hyoun，Woo，Kim，et al. Study of Ru etching using O2/Cl2 helicon plasmas[J]. Materials Science and Engineering：B，2002.
[20]Kim H . Characteristics of Ru etching using ICP and helicon O2/Cl2 plasmas[J]. Thin Solid Films，2005，475（1-2）：32-35.
[21]Sporre J，Elg D，Andruczyk D，et al. In-situ Sn contamination removal by hydrogen plasma[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering，2012：82.
[22]趙高. 螺旋波等离子体源实验及特性研究[D].北京印刷学院，2015.
（作者单位：成都大学 机械工程学院）