电子回旋共振*概述

　　电子回旋共振ElectronCyclotronResonance:ECR：这通常是指利用电子的回旋共振作用来进行测试的一种技术。在实验室中,有很多方法和途径可以产生等离子体,如气体放电、激光压缩、射线辐照及热电离等,但*常见和*主要的还是气体放电法.气体放电可分为电晕放电、辉光放电和电弧放电.辉光放电又可以分为直流辉光放电、射频辉光放电和微波放电.微波放电是将微波能量转换为气体分子的内能,使之激发、电离以产生等离子体的一种放电方式.这种放电虽然与射频放电有许多相似之处,但能量的传输方式却不相同.在微波放电中,通常采用波导管或天线将由微波电源产生的微波耦合到放电管内,放电气体存在的少量初始电子被微波电场加速后,与气体分子发生非弹性碰撞并使之电离.若微波的输出的功率适当,便可以使气体击穿,实现持续放电.电子回旋共振的诞生和发展直接来源于高功率微波源的实现

　　电子回旋共振可直接测量出半导体中载流子的有效质量，并从而可求得能带极值附近的能带结构。

　　①若半导体置于磁感应强度为B的均匀恒定磁场中, 半导体中电子的初速度v与B的夹角为θ，则半导体中电子受到磁场作用的为f =-qv×B，大小为f = qvBsinθ= q v⊥B，v⊥= v sinθ，力的方向是垂直于v与B所组成的平面。从而, 电子的运动规律是：在磁场方向以速度 v’ = v cosθ作匀速运动, 在垂直于B的平面内作匀速圆周运动, 运动轨迹是一条螺旋线。如果圆周的半径是r, 回旋频率是ωc，则 v⊥= r ωc，向心加速度a = v⊥2 / r;又能带电子运动的加速度a = f / mn*;从而对于球面等能面情况有ωc = q B / mn* 。所以, 只要测量出回旋频率ωc, 就可以得到电子的有效质量mn* 。

　　②为了测量电子的回旋频率ωc, 还在半导体上再加一个交变电磁场(频率为微波~红外光)，当电磁场的频率ω等于回旋频率ωc时即发生共振吸收;如测量出共振吸收时的电磁场频率ω=ωc和磁场B, 即可求出mn* 。具体进行测量时, 往往是固定交变电磁场的频率, 然后改变磁场B (大约为零点几特斯拉) 来观察共振吸收现象。同时为了观察到明显的共振吸收峰, 要求半导体样品比较纯净, 而且一般是在低温下进行。

　　电子回旋共振*原理

　　在稳态的外磁场中,电子受洛伦兹力的作用在垂直磁力线的平面中作拉莫尔(Lamor)回旋运动,回旋运动角频率ωce=eB0/me(B0为磁场强度,e,me分别为电子的电荷和质量).当它与沿磁场传播的右旋圆极化微波频率相等时,电子在微波电场中将被不断同步、无碰撞加速而获得能量.如果在两次碰撞之间电子能量高于气体粒子的电离能、分子离解能或某一状态的激发能,那么将产生碰撞电离、分子离解和粒子激活,从而实现等离子体放电和获得活反应粒子。

　　电子回旋共振*ECR等离子体特点

　　微波ECR放电的频段、能量传输方式及对电子的赋能方式不同于直流和射频等离子体,其特点为:

　　(1)微波在波导中以横电波或横磁波方式传播,可以实现无内电极放电;

　　(2)能量转换效率高,95%以上的微波能量可以转化为等离子体能量;

　　(3)磁场约束减小了等离子体与真空室壁的相互作用;

　　(4)近麦克斯韦型电子能量分布的高能尾部的存在提高了电离率、分子离解率及反应粒子的活性;

　　(5)放电气压低,等离子体密度高;

　　(6)平均离子能量低,高能尾翼比麦克斯韦分布短.基片表面附近加速离子的等离子体鞘层电位降低于射频容性耦合等离子体,而且离子能量控制与等离子体产生相对独立。

　　电子回旋共振*ECR等离子体源的优点

　　使用ECR等离子体源有很多显著优点,可以在较低气压下产生比较高密度的等离子体;由于气压较低,离子和活性粒子的平均自由程较长;等离子体电势较低;不需要放置在等离子体内电极,从而不会产生电极蒸发污染.

　　在等离子体刻蚀和沉积方面,由于产生的等离子体电离率高,密度高,无电极污染,并具有丰富的高能电子与紫外光子,对刻蚀和沉积有很好的作用.离子可以不经过碰撞而达到基片上,可以保持很好的方向性,离子流和离子能量可以独立控制,这些特点对刻蚀工艺极为有利.在ECR–PECVD装置中可以对基片施加射频偏压来独立地控制轰击基片的离子能量,以进一步提高和改善薄膜的性能[2,3]

　　电子回旋共振*ECR等离子体应用

　　正由于ECR等离子体的上述特点,它在应用中具有直流和射频放电所无法比拟的优点:

　　(1)高速率获得纯度、高化学活性物质;

　　(2)低能离子降低了基体表面的损伤

　　(3)通过控制轰击基片的离子能量,获得其他方法难以得到的高能亚稳相结构;

　　(4)反应粒子活性高,在低温甚至室温下即可沉积薄膜,并可以实现晶体的取向生长;

　　(5)低气压下的反应离子方向性好,是亚微米刻蚀工艺的优良源种;

　　(6)应用于离子源技术,延长了源运行寿命,能稳定提供各类活性离子,可以实现宽束强流输出,并且可以获得多电荷态和负离子.ECR等离子体不仅在低温等离子体传统应用领域发挥作用,而且在高品质、新型材料、微电子、光电子集成电路制造工艺等方面表现出了极大的优越性。

　　电子回旋共振*历史研究

　　20世纪70年代晚期,Suzuki等介绍了电子回旋共振(ECR)等离子体可以用在硅的亚显微结构刻蚀上.早期实验表明ECR放电可以在中低压强下(10−4−5×10−3Torr)产生高密度等离子体(Ne∼1011−1012/cm−3),并同时保持较低的等离子体电势.

　　在这种处理工艺条件下,离子成为重要的一种化学活性粒子组分,此时离子平均自由程大于离子壳层厚度.所以,通过在基板电极上加入独立的射频(RF)偏压,离子速度大小和方向可控,直接通过基片离子壳打在基片上.离子在穿过离子壳层时没有碰撞,以正常方式撞击基片.通过调整微波能量可以控制离子流,通过调整基片电极偏压可以控制轰击能量,因为离子流垂直于基片表面,通过合适地调整阻挡层,可以在基片上实现方向性很好的基片亚显微刻蚀.上世纪90年代,ECR等离子体工艺技术已经相当成熟.发展了多种ECR等离子体装置和等离子体源设计思想,并在众多低压等离子体工艺中得到应用。