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磁場(chǎng)中的帶電粒子介紹

FindRF ? 來(lái)源:FindRF ? 作者:藍(lán)色大海 ? 2022-12-07 17:00 ? 次閱讀
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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(gè)交流電場(chǎng),并能快速改變方向。

電子在射頻電場(chǎng)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(duì)這個(gè)交流電場(chǎng)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(gè)過程如同摩托車與大卡車同時(shí)開在公路上,每一個(gè)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(lái)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(shí),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(shí)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(wú)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(duì)于射頻功率在兩個(gè)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(jì)算為:

ve=1.33x107mph(溫度T以eV為單位)

電子在等離子體中的移動(dòng)速度比航天飛機(jī)的移動(dòng)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(dòng)速度大約和飛機(jī)相同,但比電子要慢得多。

磁場(chǎng)中的帶電粒子

在磁場(chǎng)中,帶電粒子所受的磁場(chǎng)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(chǎng)線密度或磁場(chǎng)強(qiáng)度。由于磁場(chǎng)力總是和粒子速度相互垂直,所以帶電粒子將沿著磁場(chǎng)線呈螺旋狀,這種運(yùn)動(dòng)稱為螺旋運(yùn)動(dòng)(見下圖)。

3bd5cf4a-75fc-11ed-8abf-dac502259ad0.png

帶電粒子在磁場(chǎng)中的螺旋運(yùn)動(dòng)是等離子體的一個(gè)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(chǎng)線圈,通過產(chǎn)生磁場(chǎng)形成電子的螺旋運(yùn)動(dòng),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(chǎng)和微波功率源。

當(dāng)微波頻率和電子的回旋頻率相等時(shí),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(chǎng)的工藝機(jī)臺(tái)。對(duì)于離子注入機(jī)內(nèi)的分析儀,磁場(chǎng)線圈直流產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)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(chǎng)中的軌道也不同,因此它們將從磁場(chǎng)中的不同位置發(fā)射岀來(lái)。

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(chǎng)線的頻率稱為螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)頻率,即Ω,可表示為:

Ω=qB/m

對(duì)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(dòng)頻率主要取決于磁場(chǎng)強(qiáng)度8。電子的螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)頻率是2.8B(高斯)。

回旋的半徑稱為螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)于一個(gè)電子,螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(gè)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

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原文標(biāo)題:半導(dǎo)體行業(yè)(一百四十四)——等離子工藝(五)

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