磁场中的带电粒子介绍

大多数的刻蚀和CVD等离子体源都使用射频功率。射频功率能产生一个交流电场，并能快速改变方向。

电子在射频电场正周期中快速加速并开始碰撞，如离化、激发及分解，并在负周期中重复这些过程。

由于离子太重无法立即对这个交流电场做出反应，所以大部分射频能量都被反应快且重量轻的电子吸收。

这个过程如同摩托车与大卡车同时开在公路上，每一个交叉路口都有停车标志，摩托车不论起跑和停止都很快，而大卡车起跑慢，停下来也慢。

因此可以看出在这种公路上，摩托车的平均速度比大卡车快得多。

低频功率时，离子所获得的能量比在高频功率获得的能量稍高。低频使离子有较多的反应时间，所以能把离子加速到具有较高的能量，也因此能够提供更多的能量在离子轰击上。

无论是哪种情况，等离子体中电子的温度总是比离子或中性分子的高，热速率可以表示为：

v=(kT/m)1/2

其中，k是玻尔兹曼常数，T为温度,m是粒子质量。对于射频功率在两个平行电极内所产生的等离子体或电容耦合型等离子体，电子的温度大约为2eV。这里的电子伏特(1 eV)相当于11594 K或11321℃。电子的热速度可以计算为：

ve=1.33x107mph(温度T以eV为单位)

电子在等离子体中的移动速度比航天飞机的移动速度还快。氯离子温度为0.05eV,氯离子(Ar+)的加热速度vi=3.46xl04cm/s=774mph。离子的移动速度大约和飞机相同，但比电子要慢得多。

磁场中的带电粒子

在磁场中，带电粒子所受的磁场力相当于:

F=qv×B

其中，q是粒子的电荷，v是粒子的速度，B是磁场线密度或磁场强度。由于磁场力总是和粒子速度相互垂直，所以带电粒子将沿着磁场线呈螺旋状，这种运动称为螺旋运动(见下图)。

带电粒子在磁场中的螺旋运动是等离子体的一个重要特征，在半导体工艺中有许多应用。电容耦合型等离子体刻蚀反应室都带有磁场线圈，通过产生磁场形成电子的螺旋运动，这有助于在低压下产生并维持高密度的等离子体。电子回旋共振(ElectronCyclotronResonance,ECR)是最普遍的高密度等离子体源之一，它使用了磁场和微波功率源。

当微波频率和电子的回旋频率相等时，微波就与电子产生共振且在相当低的压力下产生高密度等离子体。

离子注入机是另一种使用磁场的工艺机台。对于离子注入机内的分析仪，磁场线圈直流产生的强磁场能够使高能离子轨道发生弯曲。

由于电荷/质量(g/m)比不同，离子在磁场中的轨道也不同，因此它们将从磁场中的不同位置发射岀来。

这样可以精确选择所需要的离子，并舍弃不需要的离子。

带电粒子环绕磁场线的频率称为螺旋转动频率，即Ω，可表示为：

Ω=qB/m

对于具有固定电荷和特定质量的带电粒子，可以发现其螺旋转动频率主要取决于磁场强度8。电子的螺旋转动频率是2.8B(高斯)。

回旋的半径称为螺旋转动半径(Gyroradius,p),可表示如下：

p=v/Q

其中，其中v是与磁力线垂直的粒子速度。对于一个电子，螺旋转动半径pe(cm)=2.38Te1/2/g；其中Te是以电子伏特(eV)为单位的电子温度，B的单位是高斯。

离子螺旋转动半径可表示为:pi(cm)=102(ATi)1/2/ZB。其中A是离子的重量，Z是离子所带的离化电荷数，这两个数值均为整数。离子的质量mion=Amp,其中mp是质子的质量，相当于1.67x10-27g：离子的电荷q=Ze,其中电子的电量e=1.6x10-19C。

审核编辑：刘清