磁場中的帶電粒子介紹

大多數(shù)的刻蝕和CVD等離子體源都使用射頻功率。射頻功率能產(chǎn)生一個交流電場，并能快速改變方向。

電子在射頻電場正周期中快速加速并開始碰撞，如離化、激發(fā)及分解，并在負(fù)周期中重復(fù)這些過程。

由于離子太重?zé)o法立即對這個交流電場做出反應(yīng)，所以大部分射頻能量都被反應(yīng)快且重量輕的電子吸收。

這個過程如同摩托車與大卡車同時開在公路上，每一個交叉路口都有停車標(biāo)志，摩托車不論起跑和停止都很快，而大卡車起跑慢，停下來也慢。

因此可以看出在這種公路上，摩托車的平均速度比大卡車快得多。

低頻功率時，離子所獲得的能量比在高頻功率獲得的能量稍高。低頻使離子有較多的反應(yīng)時間，所以能把離子加速到具有較高的能量，也因此能夠提供更多的能量在離子轟擊上。

無論是哪種情況，等離子體中電子的溫度總是比離子或中性分子的高，熱速率可以表示為：

v=(kT/m)1/2

其中，k是玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度,m是粒子質(zhì)量。對于射頻功率在兩個平行電極內(nèi)所產(chǎn)生的等離子體或電容耦合型等離子體，電子的溫度大約為2eV。這里的電子伏特(1 eV)相當(dāng)于11594 K或11321℃。電子的熱速度可以計算為：

ve=1.33x107mph(溫度T以eV為單位)

電子在等離子體中的移動速度比航天飛機(jī)的移動速度還快。氯離子溫度為0.05eV,氯離子(Ar+)的加熱速度vi=3.46xl04cm/s=774mph。離子的移動速度大約和飛機(jī)相同，但比電子要慢得多。

磁場中的帶電粒子

在磁場中，帶電粒子所受的磁場力相當(dāng)于:

F=qv×B

其中，q是粒子的電荷，v是粒子的速度，B是磁場線密度或磁場強(qiáng)度。由于磁場力總是和粒子速度相互垂直，所以帶電粒子將沿著磁場線呈螺旋狀，這種運(yùn)動稱為螺旋運(yùn)動(見下圖)。

帶電粒子在磁場中的螺旋運(yùn)動是等離子體的一個重要特征，在半導(dǎo)體工藝中有許多應(yīng)用。電容耦合型等離子體刻蝕反應(yīng)室都帶有磁場線圈，通過產(chǎn)生磁場形成電子的螺旋運(yùn)動，這有助于在低壓下產(chǎn)生并維持高密度的等離子體。電子回旋共振(ElectronCyclotronResonance,ECR)是最普遍的高密度等離子體源之一，它使用了磁場和微波功率源。

當(dāng)微波頻率和電子的回旋頻率相等時，微波就與電子產(chǎn)生共振且在相當(dāng)?shù)偷膲毫ο庐a(chǎn)生高密度等離子體。

離子注入機(jī)是另一種使用磁場的工藝機(jī)臺。對于離子注入機(jī)內(nèi)的分析儀，磁場線圈直流產(chǎn)生的強(qiáng)磁場能夠使高能離子軌道發(fā)生彎曲。

由于電荷/質(zhì)量(g/m)比不同，離子在磁場中的軌道也不同，因此它們將從磁場中的不同位置發(fā)射岀來。

這樣可以精確選擇所需要的離子，并舍棄不需要的離子。

帶電粒子環(huán)繞磁場線的頻率稱為螺旋轉(zhuǎn)動頻率，即Ω，可表示為：

Ω=qB/m

對于具有固定電荷和特定質(zhì)量的帶電粒子，可以發(fā)現(xiàn)其螺旋轉(zhuǎn)動頻率主要取決于磁場強(qiáng)度8。電子的螺旋轉(zhuǎn)動頻率是2.8B(高斯)。

回旋的半徑稱為螺旋轉(zhuǎn)動半徑(Gyroradius,p),可表示如下：

p=v/Q

其中，其中v是與磁力線垂直的粒子速度。對于一個電子，螺旋轉(zhuǎn)動半徑pe(cm)=2.38Te1/2/g；其中Te是以電子伏特(eV)為單位的電子溫度，B的單位是高斯。

離子螺旋轉(zhuǎn)動半徑可表示為:pi(cm)=102(ATi)1/2/ZB。其中A是離子的重量，Z是離子所帶的離化電荷數(shù)，這兩個數(shù)值均為整數(shù)。離子的質(zhì)量mion=Amp,其中mp是質(zhì)子的質(zhì)量，相當(dāng)于1.67x10-27g：離子的電荷q=Ze,其中電子的電量e=1.6x10-19C。

審核編輯：劉清