Микроэлектроника, 2024, № 5

Российская академия наук
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
Том 53    № 5    2024    Сентябрь–Октябрь
Основан в 1972 г.  
Выходит 6 раз в год  
ISSN 0544-1269
Журнал издается под руководством
Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН
Главный редактор
Г.Я. Красников
Редакционная коллегия:
И.И. Абрамов, М.Р. Бакланов, А.А. Бухараев, 
А.А. Горбацевич, Е.С. Горнев, Ф.Ф. Комаров,  
В.Ф. Лукичев (заместитель главного редактора), П.П. Мальцев,  
И.Г. Неизвестный (заместитель главного редактора), 
В.П. Попов, Д.В. Рощупкин,  
К.В. Руденко (ответственный секретарь),  
А.С. Сигов, М.Н. Стриханов, Р.А. Сурис,  
Ю.А. Чаплыгин, В.А. Шахнов 
Зав. редакцией Е.В. Есина
Адрес редакции: 117218 Москва, Нахимовский проспект, 36, корп. 1, ФТИАН 
Тел. 8-499-129-54-46
ponomareval@mail.ru
Москва
ФГБУ «Издательство «Наука»
© Российская академия наук, 2024
© Редколлегия журнала “Микроэлектроника”  
     (составитель), 2024

СОДЕРЖАНИЕ
Том 53, номер 5, 2024
ДИАГНОСТИКА
Исследования в условиях плазмы электронного циклотронного резонанса  
с применением резонанса на второй гармонике циклотронной частоты 
А. В. Ковальчук, С. Ю. Шаповал  
355
КВАНТОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Нанофотонный светоделитель на квантовых точках с ферстеровской связью
А. В. Цуканов, И. Ю. Катеев 
362
ЛИТОГРАФИЯ
Новая концепция развития высокопроизводительной рентгеновской литографии
Н. И. Чхало 
375
МОДЕЛИРОВАНИЕ
Механизмы транспорта и полевой эмиссии электронов в 2D некристаллических  
углеродных гетероструктурах с квантовым барьером 
Г. Я. Красников, В. П. Бокарев, Г. С. Теплов, Р. К. Яфаров  
389
Математическое моделирование системы жидкостного охлаждения микропроцессора
А. И. Андреев, А. Е. Семенов  
397
Согласование параметров термоэлектрической системы охлаждения  
теплонагруженных элементов электроники
Е. Н. Васильев  
407
Исследование способов синтеза схем встроенного контроля на основе  
логической коррекции сигналов с применением равномерных разделимых кодов
Д. В. Ефановa, Е. И. Елина  
413
НЕЙРОМОРФНЫЕ СИСТЕМЫ
Разработка аппарата образного представления информации  
для нейроморфных устройств
Н. А. Симонов 
427
ПРИБОРЫ
Температурные зависимости напряжения пробоя высоковольтного  
КНИ LDMOS транзистора
А. С. Новоселов, М. Р. Гусев, Н. В. Масальский  
439
ТЕХНОЛОГИИ
Получение графена: осаждение и отжиг
Е. Г. Шустин 
448

Contents
No 5, 2024 
DIAGNOSTICS
Electron cyclotron resonance plasma studies using second cyclotron harmonic resonance 
A. V. Kovalchuk, S. Y. Shapoval  
355
QUANTUM TECHNOLOGIES
Nanophotonic beam-splitter based on quantum dots with Förster coupling
A. V. Tsukanov, I. Yu. Kateev 
362
LITHOGRAPHY
New concept for the development of high-performance X-ray lithography
N. I. Chkhalo  
375
MODELING
Electron transport and field electron emission mechanisms in 2d noncrystalline  
hetero structures with quantum barrier
G. Ya. Krasnikov, V. P. Bokarev, G. S. Teplov, R. K. Yafarov 
389
Mathematical modeling of a microprocessor liquid cooling system
A. I. Andreev, A. E. Semenov  
397
Parameters matching of the thermoelectric system parameters  
for cooling heat-loaded electronics elements
E. N. Vasil’ev  
407
Investigation of ways to synthesize concurrent error-detection circuits based  
on Boolean signals correction using uniform separable codes
D. V. Efanova, Y. I. Yelina  
413
NEUROMORPHIC SYSTEMS
Development of an imagery representation apparatus for information  
representation in neyromorphic devices
N. A. Simonov 
427
APPLICATIONS
Temperature dependences of the breakdown voltage of a high-voltage LDMOS transistor
A. S. Novoselov, M. R. Gusev, N. V. Masalsky  
439
TECHNOLOGIES
Producing of graphene: deposition and annealing
E. G. Shustin 
448

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2024, том 53, № 5, с. 355–361
ДИАГНОСТИКА
УДК 47.13.11; 533.9.072; 533.9.082
ИССЛЕДОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ПЛАЗМЫ ЭЛЕКТРОННОГО 
ЦИКЛОТРОННОГО РЕЗОНАНСА С ПРИМЕНЕНИЕМ РЕЗОНАНСА  
НА ВТОРОЙ ГАРМОНИКЕ ЦИКЛОТРОННОЙ ЧАСТОТЫ
© 2024 г.    А. В. Ковальчук1,*, С. Ю. Шаповал1,**
1 Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов  
Российской академии наук, г. Черноголовка 
*E-mail: anatoly-fizmat@mail.ru 
**E-mail: shapoval@iptm.ru  
Поступила в редакцию 22 апреля 2024 г.  
После доработки 10 июня 2024 г.  
Принята к публикации 10 июня 2024 г.
СВЧ плазма (частота генерации 2.45 ГГц, мощность 200–1000 Вт, давление 0.2–10 мТорр) возбуждалась 
и поддерживалась в двух основных режимах: (1) при непрерывной подаче СВЧ мощности и низких 
магнитных полях (В = 300–450 Гс) в условиях сверхплотной (Ne > Ncr = 7.4 q
1010 см–3) плазмы и низкой 
плотности плазмы (Ne < Ncr); (2) при высоких магнитных полях (В = 750–1000 Гс), близких к ЭЦР-условию. Исследовались особенности генерации плазмы при условии ЭЦР и при условии резонанса на 
второй циклотронной гармонике.
Ключевые слова: СВЧ-излучение, ЭЦР-плазма, вторая циклотронная гармоника, КВЧ интерферометрия, плазменный зонд
DOI: 10.31857/S0544126924050013
1. ВВЕДЕНИЕ
СВЧ плазма в  условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) находит широкое 
применение в науке и технологии [1, 2]. Особый 
интерес представляют технологические операции 
в области микроэлектроники, проведенные с использованием ЭЦР плазмы. Например, внедрение 
водорода в кремниевые приборы способно сильно модифицировать свойства полупроводниковых 
структур, в частности увеличить их стойкость к радиационному воздействию [3], или формирование 
пассивирующего покрытия методом ECR-PECVD 
оптимизирует характеристики GaN HEMT транзисторов [4]. Это в основном связано с высокой 
плотностью плазмы 1011–1012 см–3, возбуждаемой 
при СВЧ мощности 100–200 Вт и низком рабочем 
давлении 0.2–10 мТорр. Высокая плотность плазмы 
обуславливается высоким уровнем поглощения 
СВЧ мощности при ЭЦР-условиях и удержанием 
плазмы магнитным полем. Типичные магнитные 
поля в коммерческих реакторах 900–1200 Гс. Для 
создания таких магнитных полей в резонаторах диаметром 20–25 см требуются две или три больших 
и мощных магнитных катушек.
Ряд применений требует использование СВЧ 
плазмы в условиях не только ЭЦР, но и резонанса 
на второй циклотронной гармонике [5, 6] и импульсной подаче СВЧ мощности [7].
В то же время СВЧ плазма, с плотностями близкими к плотности плазмы при условии ЭЦР, может 
возбуждаться на ТЕ и ТМ фундаментальных модах 
при давлениях 0.2–10 мТорр и при магнитных полях 
B = 400–600 Гс, вдвое меньших поля Br  для условия 
ЭЦР [8, 9]. Существует практический интерес изучить условия, при которых сверхплотная (Ne > Ncr = 
= 7.4 × 1010 см–3) СВЧ плазма может быть возбуждена 
при низких магнитных полях B =100–400 Гс. При 
 
В < Br /2 минимизируется неоднородность плотности плазмы по сечению реакционной зоны. Такие 
СВЧ плазменные источники не требуют громоздких магнитных катушек и могут быть использованы 
в различных вариантах плазменной технологии.
В настоящей работе мы обсуждаем характеристики СВЧ плазмы, поддерживаемой в условиях ЭЦР 
и поддерживаемой в нерезонансных объемах при 
полях B = 100–1000 Гс.
После отработки стационарных режимов, СВЧ 
плазма применялась для осаждения слоев GaN 
355

КОВАЛЬЧУК, ШАПОВАЛ
и HxSirNzHy (молекулярная формула для нитрида 
кремния введена в публикации [10]).
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Концентрацию электронного газа в объеме 
СВЧ плазмы мы измеряли путем обработки данных КВЧ (крайне высокие частоты радиоволн, 
англ. EHF extremely-high frequency) интерферометрии. Объем с плазмой СВЧ играл роль активного 
тела в КВЧ интерферометре. Для этой цели пучок 
радиоволн с длиной волны (1–10) мм проходил по 
диаметру плазменного столба. Кварцевые окна 
использовались для входа и выхода пучка радиоволн. Опорный пучок радиоволн, посредством 
отражения от зеркал, проходил по волноводу вокруг половины реактора.
Плазменный зонд Ленгмюра применялся для 
измерения ионного тока насыщения Jion.
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Излучаемая СВЧ мощность на частоте 
 f = 2.45 ГГц стабильно поддерживалась генератором 
в интервале Рf  = 50–1000 Вт. Поток СВЧ-энергии 
поступал в объем источника (диаметр 15 см, длина 
ECR
chamber
16 см) через СВЧ тракт на основе волноводов с прямоугольным профилем.
Вдали от области ЭЦР и стенок камеры, в плазме 
{e, N2
+} энергия электронов kTe  ≈ 5эВ. В любом направлении поток электронов в  ≈ 1000 раз превышает поток ионов. Это обусловлено отношением масс 
 
(Mi /me  ≈ 51000) и отношением температур (T
e /Ti  ≈ 20) 
 
электронной и ионной компонент нейтральной 
плазмы. Изолированная подложка, помещенная 
в область плазмы, получит отрицательный заряд, необходимый для выравнивания потоков электронов 
и ионов на ее поверхность. Относительно нейтральной плазмы подложка зарядится отрицательным 
потенциалом. Такой потенциал в физике плазмы 
называется плавающим потенциалом Vflo. В плазме 
{e, N2
+} величина Vflo ≈ -5.155kTe/e ≈ -26В [11].
Физическая картина модифицируется, если на подложку относительно стенок камеры подать ВЧ-напряжение, как это показано на рис. 1. Под действием 
импульса силы от ВЧ-поля смещение облака электронного газа в Mi /me раз превышает смещение массива ионов. В каждом периоде колебаний плазмы 
подложка “окунается в электронное облако”. Вблизи поверхности подложки произойдёт поляризация 
плазмы. В результате такой поляризации слой отрицательного заряда сместится на поверхность подложки, 
а слой с положительным зарядом будет распределен 
на некотором расстоянии от ее поверхности. Относительно нейтральной плазмы подложка получает отрицательный потенциал Ub, величина которого зависит 
от амплитуды ВЧ-напряжения. Положительные ионы 
в потоке частиц, атакующих поверхность подложки, на 
прохождении области поляризации плазмы, приобретают энергию равную eUb. Более детальное описание 
выпрямляющего действия приэлектродной плазмы на 
ВЧ поле изложено в книге Ю. П. Райзера [12].
Ввиду высокой степени ионизации (0.001–0.3) 
в условиях ЭЦР-плазмы обеспечиваются достаточные потоки активных частиц для нанесения на 
подложку слоевых покрытий [13] при давлениях 
в камере (0.1–10) q
10–3 Торр.
3. ФОРМИРОВАНИЕ СВЕРХПЛОТНОЙ  
И РАЗРЕЖЕННОЙ ПЛАЗМЫ ПРИ МАГНИТ
НЫХ ПОЛЯХ НИЖЕ УСЛОВИЯ ЭЦР
Рис. 1. Схема экспериментальной установки с генерацией плазменного разряда в условиях ЭЦР: f = 2.45 
ГГц, Br = 875 Гс. Для управления энергией положительно заряженных ионов к держателю подложки (Si, GaAs 
или Al2O3 пластина) прикладывается ВЧ-напряжение  
с управляемой амплитудой.
Газовое кольцо используется для организации однородного распределения по поверхности сапфировой 
подложки потока молекул триметилгаллия и триметилаллюминия в процессе эпитаксиального осаждения 
слоёв GaN и AlxGa1-xN.
До настоящего времени ведутся работы [14–17], 
целью которых является оптимизация параметров 
СВЧ плазмы и создание компактных источников 
плазменных ионов [18, 19]. Чтобы возбудить СВЧ 
плазму при низком давлении (< 100 мТорр) в магнитных полях существенно ниже ЭЦР-условия 
требуется подача высокой мощности СВЧ-накачки до нескольких кВт [20]. Нам удалось обойти 
это условие разработкой специальной методики 
возбуждения плазменного разряда при мощностях 
накачки 300–500 Вт и магнитных полях 0–700 Гс. 
Плазменный разряд может поддерживаться в   
двух модах: сверхплотная плазма (Ne > Ncr) 
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА        том  53           №  5        2024

ИССЛЕДОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ПЛАЗМЫ ЭЛЕКТРОННОГО 
Рис. 2. Распределение магнитного поля на оси реактора в зависимости от расстояния до среза окна 
энерговвода. В экспериментах для обеспечения 
формирования однородной моды плазмы использовалась область Z  = [5, 6] см.
магнитного поля токи катушек изменялись пропорционально, чтобы сохранить неизменным относительное 
распределение напряженности поля в объеме плазмы. 
Величина отраженной СВЧ мощности поддерживалась автоматическим тюнером на уровне 50 Вт.
Зависимость тока насыщения Jion зонда Ленгмюра 
на оси камеры от напряженности магнитного поля 
показана на рис. 3 при давлении азота 1 мТорр и поглощаемой СВЧ мощности Pabs = 450 Вт. При напряи разреженная плазма (Ne < Ncr ), где Ncr  = 7.4 × 
 
× 1010 см–3 – критическая плотность плазмы для 
частоты f = 2.45 ГГц [21]. Разреженная плазма может существовать при СВЧ мощности 200–1000 Вт 
в любых магнитных полях, даже при B = 0 и малом 
давлении, например при 0.2 мТорр. В таком случае СВЧ излучение проходит сквозь разреженную 
плазму, приводя к искажению вольт-амперных 
характеристик зонда Ленгмюра и нагреву подложкодержателя и, соответственно, подложки [21].
Переход от разреженной плазмы к сверхплотной 
возможен в том случае, когда поглощенной СВЧ 
мощности достаточно для возбуждения плазмы 
с плотностью более Ncr [21]. При давлениях менее 
 
1 мТорр частота столкновений электронов с нейтральными частицами мала для обеспечения поглощения 
СВЧ мощности за счет столкновений. В этом случае 
для эффективного поглощения СВЧ мощности электронами используется электронный циклотронный 
резонанс право поляризованных СВЧ волн.
При магнитных полях ниже ЭЦР-условия, 
 
B < Br = 2πfmc/e = 875Гс, и давлении в разряде 
 
0.1–3 мТорр, переход от разреженной к сверхплотной плазме может быть осуществлен при магнитных полях В = 435–440 Гс около окна ввода СВЧ 
мощности. Этот переход сопровождается увеличением плотности плазмы Ne, тока насыщения 
ионного зонда и падением доли СВЧ мощности, 
проходящей сквозь плазму (Ptr). Отраженная мощность обычно тоже падает, но величина этого падения зависит от положения стержней тюнера. 
Такой переход наблюдался во всем интервале 
использованных в работе величин прямой СВЧ 
мощности Pf, отраженной мощности Pref, давления 
в камере и настройке тюнера.
Магнитное поле перехода Bwv = 435–440 Гс соответствует половине магнитного поля циклотронного резонанса Br = 875 Гс и не зависит от плотности 
плазмы, давления газов и СВЧ мощности. Переход 
происходит за счет увеличения поглощения СВЧ 
мощности в условиях резонанса второй циклотронной гармоники [5, 6]. На частоте f = 2.45 ГГц вторая 
гармоника ω2 = 2πf/2 = 7.70×109c–1. Магнитное поле 
B2 = 438 Гс, соответствующее резонансу второй гармоники, прекрасно совпадает с величиной переходного магнитного поля Bwv = 435–440 Гс.
С целью генерации однородной плотности плазмы по сечению газового потока распределение магнитного поля было установлено так, как показано 
на рис. 2.
Подбором расстояния между катушками и величин токов через них величина магнитного поля 
на срезе окна энерговвода была установлена 925 Гс. 
 
ЭЦР условие Br = 875 Гс обеспечивалось на отрезке 
не менее четверти длины волны СВЧ излучения. 
При таких условиях устойчиво генерируется однородная мода плазмы [22]. В ходе исследований 
определялась зависимость тока насыщения зонда от 
напряженности магнитного поля. При перестройке 
Рис. 3. Зависимость тока насыщения плазменного зонда от величины магнитного поля в интервале «полки» 
(см. рис. 2). Pf = 500 Вт, Pref = 50 Вт, давление азота 1 
мТорр. При перестройке магнитного поля для определения зависимости тока насыщения зонда от магнитного поля токи катушек изменялись пропорционально, чтобы сохранить распределение напряженности 
поля. Величина отраженной мощности Pref поддерживалась автоматическим тюнером на уровне 50 Вт.
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА        том  53           №  5        2024

КОВАЛЬЧУК, ШАПОВАЛ
Рис. 5. Зависимость тока насыщения плазменного зонда Jion от давления азота в реакторе. Падающая мощность Pf = 500 Вт. Отраженная мощность Pref  = 50 Вт. 
Магнитное поле на оси реактора B  = Br /2 = 438 Гс.
женностях магнитного поля B1 = Br = 875 Гс и B2 = 
= Br /2 ≈ 438 Гс ток Jion проходит через максимумы. 
Величины этих максимумов зависят от давления газа 
и СВЧ мощности. Максимум при поле B1 соответствует ЭЦР, а максимум при поле B2 соответствует 
резонансу на второй циклотронной гармонике.
Уменьшение плотности плазмы при магнитном 
поле 500–800 Гс сопровождается увеличением протечки СВЧ излучения сквозь плазму, хотя отраженная мощность остается постоянной. Протечка СВЧ 
излучения сквозь плазму приводит к уменьшению 
поглощенной мощности Pabs и соответственному 
уменьшению плотности плазмы. Протечка СВЧ излучения сквозь плазму в этих условиях может быть 
объяснена следующим образом. Когда магнитное 
поле в области поглощения СВЧ энергии около окна 
энерговвода приближается к ЭЦР-условию (875 Гс), 
толщина эванесцентной зоны около окна (Ne > Ncr) 
уменьшается, что позволяет некоторым порциям 
лево и право поляризованным волнам проходить 
сквозь эванесцентную зону и распространяться без 
поглощения [23, 24].
Зависимости тока насыщения зонда Jion от поглощенной СВЧ мощности Pabs = (Pf –Pref) показаны на 
рис. 4.
Переходное значение давления ptr вероятно связано с критической плотностью плазмы Ncr = 7.4 × 
 
× 1010 см–3 для частоты 2.45 ГГц. Для иллюстрации на 
рис. 6 приведена зависимость плотности плазмы Ne 
от давления в реакторе. Измерения Ne проводились 
методом КВЧ интерферометрии [25]. Плотность Ncut-off 
плазмы отсечки [23, 24, 26] для право поляризованных 
волн: Ncut-off .R = Ncr(1-/Br). Для лево поляризованных 
волн: Ncut-off .L = Ncr(1+B/Br).При резонансном магнитном поле B = Br плотность плазмы отсечки Ncut-off .L 
достигает величины 2Ncr  = 1.48×1011см–3. При давлении 
 
2 мТорр экспериментально измеряемая плотность 
плазмы достигает значения Ncut-off  = 2Ncr и далее продолжает увеличиваться с ростом давления вплоть до 
7 мТорр, затем начинает постепенно уменьшаться.
Рис. 4. Зависимости ионного тока насыщения зонда 
Jion от поглощенной СВЧ мощности Pabs = (Pf–Pref) в 
плазме N2. Давление азота p = 1 мТорр.
Можно заметить, что Jion увеличивается практически линейно с ростом поглощенной мощности 
Pabs. Это означает, что в сверхплотной плазме СВЧ 
излучение не проходит сквозь плазму и вся энергия 
поглощается плазмой.
При магнитных полях B < 800 Гс сверхплотная СВЧ 
плазма может поддерживаться вплоть до давления 
 
ptr = 0.7 мТорр (рис. 5). При давлении ниже ptr плотность 
плазмы резко уменьшается и при давлении 0.2 мТорр 
(pext) плазма гаснет. Это сопровождается прохождением 
СВЧ излучения в объем плазмохимической установки.
Рис. 6. Зависимость плотности плазмы от давления 
азота в реакторе. Падающая мощность Pf = 500 Вт. Отраженная мощность Pref = 50 Вт, Магнитное поле на оси 
реактора B = Br = 875 Гс. Концентрация электронного 
газа вычислялась из данных КВЧ интерферометрии.
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА        том  53           №  5        2024

ИССЛЕДОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ПЛАЗМЫ ЭЛЕКТРОННОГО 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе проведен анализ особенностей СВЧ 
плазмы при магнитных полях, напряженность которых ниже напряженности поля (Br = 875 Гс) необходимого для условия ЭЦР и при магнитных полях, 
напряженность которых близка к ЭЦР условию.
Установлено, что в нерезонансном объеме при 
напряженностях магнитного поля ниже условия 
ЭЦР могут возбуждаться и поддерживаться два 
вида плазмы: низкой плотности (Ne < Ncr), сопровождающейся протечками СВЧ излучения сквозь 
разряд, и сверхплотной (Ne > Ncr). Для давлений в 
реакторе p > 1 мТорр и СВЧ мощности Pabs > 200 
Вт сверхплотная плазма может поддерживаться при 
напряженностях магнитного поля около окна СВЧ 
ввода равных 75–800 Гс.
Переход от разреженной к сверхплотной плазме 
происходит при напряженностях магнитного поля 
около окна СВЧ ввода равных 430–440 Гс. Мы предполагаем, что этот переход связан с реализацией 
условия (B = Br /2 = 438 Гс) резонанса на второй 
циклотронной гармонике.
Понимание процессов формирования плазмы 
при воздействии магнитного поля и СВЧ-излучения 
на газовую среду дает возможность организации стабильных, воспроизводимых технологических операций, удовлетворяющих требованиям микроэлектроники и других наукоемких областей технологии.
ФИНАНСИРОВАНИЕ
Работа выполнена в рамках темы государственного задания ИПТМ РАН № 075-00296-24-01.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют, что у них нет конфликта 
интересов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
conductivity and breakdown characteristics of AlGaN/
GaN HEMT structures in passivation experiments", 
Proc. SPIE 5023, 10th International Symposium on 
Nanostructures: Physics and Technology, (11 June 2003). 
https://doi.org/10.1117/12.511539
5.  
Datlov J., Teichmann J., Zacek F. Regimes of plasma 
acceleration by inhomogenous high frequency and 
magnetostatic field in a cavity resonator. Phys. Letters, 17 
(1), 30 (1965). 
https://doi.org/10.1016/0031-9163(65)90634-7
6.  
Celona L., Gammino S., Maimone F., Mascali D., Gambino 
N. , Miracoli R., and Ciavola G. Observations of resonant 
modes formation in microwave generated magnetized 
plasmas. Eur. Phys. J. D, 61(1), 107 (2011). 
https://doi.org/10.1140/¬epjd/e2010-00244-y
7. 
 
Skalyga V.A., Golubev S.V., Izotov I.V., Lapin R.L., Razin 
S.V., Sidorov A.V., and Shaposhnikov R. A. High-current 
pulsed ECR ion sources. Prikl. Fiz., 1, 17 (2019). https://
applphys.orion-ir.ru/appl-19/19-1/PF-19-1-17.pdf
8.  
Tulle P.A. Off-resonance microwave-created plasmas. 
Plasma Phys., 15 (10), 971 (1973). 
DOI: 10.1088/0032-1028/15/10/003
9.  
Morito M., and Ken’ichi O. Ion extraction from microwave 
plasma excited by ordinary and extraordinary waves and 
applications to the sputtering deposition. J . Vac. Sci. 
Technol. A, 9, 691 (1991).
https://doi.org/10.1116/1.577345
10.  
Kovalchuk A., Beshkov G., Shapoval S. Dehydrogenation 
of Low-Temperature ECR-Plasma Silicon Nitride 
Films under Rapid Thermal Annealing. J. Res. Phys., 
31 (1), 37–46 (2007). https://www.researchgate.net/
publication/277125029_Dehydrogenation_of_lowtemperature_ECR-plasma_silicon_nitride-_films_
under_rapid_thermal_annealing
11.  
Райзер Ю.П. Физика газового разряда, Глава 8, § 5, 
пункт 5.3., 199 («Наука», Физматлит 1992) ISBN: 5-02014615-3. 
https://studizba.com/files/show/djvu/2107-1rayzer-yu-p--fizika-gazovogo-razryada.html (in Russian)
12.  
Райзер Ю.П. Физика газового разряда, Глава 15, § 4, 
пункт 4.3., 479 («Наука», Физматлит 1992) ISBN: 5-02014615-3. 
https://studizba.com/files/show/djvu/2107-1ray¬zer-yu-p--fizika-gazovogo-razryada.html (in Russian)
13. Shapoval S.Y., Petrashov V
.T., Popov O.A, Yoder M.D., Maciel 
P
.D., and Lok C.K.C. Electron cyclotron resonance plasma 
chemical vapor deposition of large area uniform silicon nitride 
films. J . Vac. Sci. Technol. A, 9 (6), 3071 (1991). 
DOI: 10.1116/1.577175
14.  
Salahshoor M., Aslaninejad M. Resonance surface, 
microwave power absorption, and plasma density 
distribution in an electron cyclotron resonance ion 
source. Phys. Rev. Accel. Beams, 22 (4), 043402 (2019). 
DOI: 10.1103/PhysRevAccelBeams.22.043402
15.  
Roychowdhury P., Mishra L., Kewlani H., Gharat S. 
Hydrogen Plasma Characterization at Low Pressure in 
2.45 GHz Electron Cyclotron Resonance Proton Ion 
Source. IEEE Transactions on Plasma Science, 45 (4), 
665 (2017). 
DOI: 10.1109/TPS.2017.2679758
16.  
Gallo C.S., Galata A., Mascali D., Torrisi G. A possible 
optimization of electron cyclotron resonance ion sources 
plasma chambers. 23th Int. Workshop on ECR Ion 
Sources, 67 (Catania, Italy, ECRIS 2018).
https://accelconf.web.cern.ch/ecris2018/papers/tub3.pdf
1. 
 
Celona L., Gammino S., Ciavola G., Maimone F., Mascali D. 
Microwave to plasma coupling in electron cyclotron 
resonance and microwave ion sources (invited). Rev. Sc. 
Instrum., 81 (2), 02A333 (2010). 
DOI: 10.1063/1.3265366
2.  
Shapoval S., Bulkin P., Chumakov A., Khudobin S., 
Maximov I., Mikhailov G. Compact ECR-source of 
ions and radicals for semiconductor surface treatment. 
Vacuum, 43 (3), 195 (1992). 
https://doi.org/10.1016/0042-207X(92)90260-4
3.  
Polushkin E.A., Nefed’ev S.V., Koval’chuk A.V. et al. 
Hydrogen Plasma under Conditions of ElectronCyclotron Resonance in Microelectronics Technology. 
Russ Microelectron 52, 195–197 (2023). 
https://doi.org/10.1134/S1063739723700373
4.  
Shapoval S., Gurtovoi V., Kovalchuk A., Lester F.E., 
Vertjachih A., Gaquiere C., Theron D. "Improvement of 
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА        том  53           №  5        2024

КОВАЛЬЧУК, ШАПОВАЛ
plasma chemical vapor deposition of large area uniform 
silicon nitride films. J. Vac. Sci. Technol. A, 9(6), 3071 (1991). 
https://doi.org/10.1116/1.577175
23.  
Ginzburg V.L. The Propagation of Electromagnetic Waves 
in Plasmas 2nd ed. (Pergamon Press, Oxford, 1970) 
ISBN: 0080155693; Russian original:, V. L. Ginzburg. 
The Propagation of Electromagnetic Waves in Plasmas 
2nd ed. (Nauka, Moscow, 1967). https://www.studmed.
ru/ginzburg-vl-rasprostranenie-elektromagnitnyh-volnv-plazme_729023ed3e1.html
24.  
Popov O.A., Shapoval S.Y. and Yoder M.D.Jr. 2.45 GHz 
microwave plasmas at magnetic fields below ECR. 
Plasma Sources Sci. Technol., 1 (1), 7 (1992). 
DOI: 10.1088/0963-0252/1/1/002
25.  
Popov O.A., Shapoval S.Y. and Yoder M.D., and Chumakov 
A.A. Electron cyclotron resonance plasma source for 
metalorganic chemical vapor deposition of silicon oxide 
films. J. Vac. Sci. Technol. A, 12(2), 300 (1994). 
https://doi.org/10.1116/1.578872
26.  
Stix T.H. The Theory of Plasma Waves (McGraw-Hill, New 
York, 1962) ASIN: B0006AY0IW. https://babel.hathitrust.org/cgi/pt?id=uc1.b3754096&view=1up&seq=9
17.  
Qian Y. Jin, Yu G. Liu, Yang Z., Qi Wu, Yao J. Zhai and 
Liang T. Sun. RF and Microwave Ion Sources Study at 
Institute of Modern Physics. Plasma, 4 (2), 332 (2021). 
 
https://doi.org/10.3390/plasma4020022
18.  
Mauro G.S., Torrisi G., Leonardi O., Pidatella A., Sorbello 
G., and Mascali D. Design and Analysis of Slotted 
Waveguide Antenna Radiating in a “Plasma-Shaped” 
Cavity of an ECR Ion Source. MDPI Telecom, 2 (1), 42 
(2021). https://doi.org/10.3390/telecom-2010004
19.  
Tsybin O.Yu., Makarov S.B., Dyubo D.B., Kuleshov 
Yu.V., Goncharov P.S., Martynov V.V., Shunevich N.A. 
An electrically powered ion accelerator with contact 
ionization for perspective electrically powered thrusters. 
St. Petersburg Polytechnical State University Journal. 
Physics and Mathematics, 13 (2), 99 (2020).
https://physmath.spbstu.ru/en/article/2020.48.08/
20. Lax B., Allis W.P. and Brown S.C. The effect of magnetic 
field on the breakdown of gases at microwave frequencies. 
J. Appl. Phys., 21, 1297 (1950). 
DOI: 10.1063/1.1699594
21.  
Popov O.A. Characteristics of electron cyclotron resonance 
plasma sources. J. Vac. Sci. Technol. A, 7 (3), 894 (1989). 
https://doi.org/10.1116/1.575816
22.  
Shapoval S.Y., Petrashov V
.T., Popov O.A., Yoder M.D.Jr., 
Maciel P.D., and Lok C.K.C. Electron cyclotron resonance 
ELECTRON CYCLOTRON RESONANCE PLASMA STUDIES  
USING THE SECOND CYCLOTRON HARMONIC RESONANCE
© 2024    A. V. Kovalchuk1,*, S. Y. Shapoval1,**
1 Institute of Microelectronics Technology and High-Purity Materials, 
Russian Academy of Sciences, Chernogolovka, 142432 Russia 
*E-mail: anatoly-fizmat@mail.ru 
** E-mail: shapoval@iptm.ru 
Microwave plasma (generation frequency 2.45 GHz, power 200–1000 W, pressure 0.2–10 mTorr) is excited and 
maintained in two main modes: (1) at continuous microwave power and low magnetic fields (B = 300–450 G)  
under a superdense (Ne > Ncr = 7.4 q
1010 cm−3) plasma and low plasma density (Ne < Ncr); and (2) in high 
magnetic fields (B = 750–1000 G), close to the ECR condition. The peculiarities of plasma generation under the 
ECR condition and at the second harmonic of cyclotron resonance are studied.
Keywords: microwave radiation, ECR plasma, second cyclotron harmonic, plasma probe, EHF interferometry
REFERENCES
1. 
Celona L., Gammino S., Ciavola G., Maimone F., Mascali 
D. Microwave to plasma coupling in electron cyclotron 
resonance and microwave ion sources (invited) // Rev. Sc. 
Instrum. 2010. V. 81. No 2. P. 02A333. 
DOI: 10.1063/1.3265366
2. Shapoval S., Bulkin P., Chumakov A., Khudobin S., 
Maximov I., Mikhailov G. Compact ECR-source of ions 
and radicals for semiconductor surface treatment // 
Vacuum. 1992. V. 43. No 3. P. 195. 
https://doi.org/10.1016/0042-207X(92)90260-4 
3. 
Polushkin E.A., Nefed’ev S.V., Koval’chuk A.V., et al. 
Hydrogen Plasma under Conditions of Electron-Cyclotron 
Resonance in Microelectronics Technology // Russian 
Microelectronics. 2023. V. 52. P. 195-197. 
https://doi.org/10.1134/S1063739723700373
4. Shapoval S., Gurtovoi V., Kovalchuk A., Lester Fuess 
Eastman, Vertjachih A., Christophe Gaquiere, David 
Theron. Improvement of conductivity and breakdown 
characteristics of AlGaN/GaN HEMT structures 
in passivation experiments // Proc. SPIE 5023, 10th 
International Symposium on Nanostructures: Physics 
and Technology, 11 June 200. 
https://doi.org/10.1117/12.511539
5. Datlov J., Teichmann J., Zacek F. Regimes of plasma 
acceleration by inhomogenous high frequency and 
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА        том  53           №  5        2024

ИССЛЕДОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ПЛАЗМЫ ЭЛЕКТРОННОГО 
plasma chambers // 23th Int. Workshop on ECR Ion 
Sources. P. 67. Catania, Italy, ECRIS 2018, https://
accelconf.web.cern.ch/ecris2018/papers/tub3.pdf
17. Qian Y. Jin, Yu G. Liu, Yang Zhou, Qi Wu, Yao J. Zhai and Liang 
T. Sun. RF and Microwave Ion Sources Study at Institute of 
Modern Physics // Plasma. 2021. V. 4. No 2. P. 332. 
https://doi.org/10.3390/plasma4020022
18. Giorgio Sebastiano Mauro, Giuseppe Torrisi, Ornella Leonardi, 
Angelo Pidatella, Gino Sorbello, and David Mascali. Design 
and Analysis of Slotted Waveguide Antenna Radiating in a 
“Plasma-Shaped” Cavity of an ECR Ion Source // MDPI 
Telecom. 2021. V. 2. No 1. P. 42. 
https://doi.org/10.3390/telecom2010004
19. Tsybin O.Yu., Makarov S.B., Dyubo D.B., Kuleshov 
Yu.V., Goncharov P.S., Martynov V.V., Shunevich N.A. 
An electrically powered ion accelerator with contact 
ionization for perspective electrically powered thrusters // 
 
St. Petersburg Polytechnical State University Journal. 
Physics and Mathematics. 2020. V. 13. No 2. P. 99, 
https://physmath.spbstu.ru/en/article/2020.48.08/
20. Lax B., Allis W.P., and Brown S.C. . The effect of magnetic 
field on the breakdown of gases at microwave frequencies // 
 
J. Appl. Phys. 1950. V. 21. P. 1297. 
DOI: 10.1063/1.1699594
21. Popov O.A. Characteristics of electron cyclotron 
resonance plasma sources // J. Vac. Sci. Technol. A. 
1989. V. 7. No 3. P. 894. 
https://doi.org/10.1116/1.575816
22. Shapoval S.Y., Petrashov V.T., Popov O.A. Yoder M.D. 
Jr., Maciel P.D., and Lok C.K.C. Electron cyclotron 
resonance plasma chemical vapor deposition of large area 
uniform silicon nitride films // J. Vac. Sci. Technol. A. 
1991. V. 9. No 6. P. 3071. 
https://doi.org/10.1116/1.577175
23. Ginzburg V.L. The Propagation of Electromagnetic Waves 
in Plasmas (2nd edn). Pergamon Press, Oxford, 1970, 
ISBN: 0080155693; Russian original:, V. L. Ginzburg. The 
Propagation of Electromagnetic Waves in Plasmas (2nd 
edn). “Nauka”, Moscow, 1967, https://www.studmed.
ru/ginzburg-vl-rasprostranenie-elektromagnitnyh-volnv-plazme_729023ed3e1.html
24. Popov O.A., Shapoval S.Y. and Yoder M.D.Jr. 2.45 GHz 
microwave plasmas at magnetic fields below ECR // 
Plasma Sources Sci. Technol. 1992. V. 1. No 1. P. 7. DOI: 
10.1088/0963-0252/1/1/002
25. Popov O.A., Shapoval S.Y. and Yoder M.D.Jr., and 
ChumakovA.A. . Electron cyclotron resonance plasma 
source for metalorganic chemical vapor deposition of 
silicon oxide films // J. Vac. Sci. Technol. A. 1994. V. 12. 
No 2. P. 300, https://doi.org/10.1116/1.578872
26. Stix T.H. The Theory of Plasma Waves // McGraw-Hill, 
New York, 1962, ASIN: B0006AY0IW, https://babel.
hathitrust.org/cgi/pt?id=uc1.b3754096&view=1up&seq=9
magnetostatic field in a cavity resonator // Phys. Letters. 
1965. V. 17. No 1. P. 30. 
https://doi.org/10.1016/0031-9163(65)90634-7
6. 
Celona L., Gammino S., Maimone F., Mascali D., Gambino 
N., Miracoli R., and Ciavola G. Observations of resonant 
modes formation in microwave generated magnetized 
plasmas // Eur. Phys. J. D. 2011. V. 61. No 1. P. 107. 
https://doi.org/10.1140/epjd/e2010-00244-y
7. 
Skalyga V
.A., Golubev S.V
., Izotov I.V
., Lapin R.L., Razin 
S.V
., Sidorov A.V
., and Shaposhnikov R.A. High-current 
pulsed ECR ion sources // Prikl. Fiz. 2019. V. 1. P. 17, 
https://applphys.orion-ir.ru/appl-19/19-1/PF-19-1-17.pdf
8. Tulle P.A. Off-resonance microwave-created plasmas // 
Plasma Phys. 1973. V. 15. No 10. P. 971. 
DOI: 10.1088/0032-1028/15/10/003
9. Morito Matsuoka and Ken’ichi Ono. Ion extraction from 
microwave plasma excited by ordinary and extraordinary 
waves and applications to the sputtering deposition // 
 
J. Vac. Sci. Technol. A. 1991. V. 9. P. 691. 
https://doi.org/10.1116/1.577345
10. Kovalchuk A., Beshkov G., Shapoval S. Dehydrogenation 
of Low-Temperature ECR-Plasma Silicon Nitride Films 
under Rapid Thermal Annealing // J. Res. Phys. 2007. 
V. 31. No 1. P. 37-46, https://www.researchgate.net/
publication/277125029_Dehydrogenation_of_lowtemperature_ECR-plasma_silicon_nitride-films_
under_rapid_thermal_annealing
11. Raiser Y.P. Physics of gas discharge. Chapter 8, § 5. Item 
5.3. P. 199. “Nauka”, Fizmatlit, 1992, ISBN: 5-02014615-3, https://studizba.com/files/show/djvu/2107-1rayzer-yu-p-fizika-gazovogo-razryada.html (in Russian)
12. Raiser Y.P. Physics of gas discharge. Chapter 15, § 4. 
Item 4.3. P. 479. “Nauka”, Fizmatlit, 1992, ISBN: 5-02014615-3, https://studizba.com/files/show/djvu/2107-1rayzer-yu-p-fizika-gazovogo-razryada.html (in Russian)
13. Shapoval S.Y., Petrashov V.T., Popov O.A., Yoder M.D. 
Jr., Maciel P.D., and Lok C.K.C. Electron cyclotron 
resonance plasma chemical vapor deposition of large area 
uniform silicon nitride films // J. Vac. Sci. Technol. A. 
1991. V. 9. No 6. P. 3071.
DOI: 10.1116/1.577175
14. Salahshoor M., Aslaninejad M. Resonance surface, 
microwave power absorption, and plasma density 
distribution in an electron cyclotron resonance ion source // 
 
Phys. Rev. Accel. Beams. 2019. V. 22. No 4. P. 043402. 
DOI: 10.1103/PhysRevAccelBeams.22.043402
15. Pradip Roychowdhury, Love Mishra, Hitesh Kewlani, 
Surendra Gharat. Hydrogen Plasma Characterization 
at Low Pressure in 2.45 GHz Electron Cyclotron 
Resonance Proton Ion Source // IEEE Transactions on 
Plasma Science. 2017. V. 45. No 4. P. 665. 
DOI: 10.1109/TPS.2017.2679758
16. Gallo C.S., Galata A., Mascali D., Torrisi G. A possible 
optimization of electron cyclotron resonance ion sources 
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА        том  53           №  5        2024