等离子体基础

1北方微电子培训教材（高级）等离子体基础NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining2Outlines•等离子体概况•等离子体源介绍•等离子体诊断•刻蚀工艺相关参数NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining3Outlines•等离子体概况•等离子体源介绍•等离子体诊断•刻蚀工艺相关参数NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining4等离子体概况等离子体基本概念1等离子体是一种具有足够电离度的放电气体NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining5等离子体概况等离子体基本概念2e-N+APlasma等离子体基本组成：电子、离子、中性粒子等离子体基本特征：-准电中性：等离子体宏观上表现为中性-集体行为：大量粒子综合的行为气体状物质NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining6等离子体概况等离子体产生原理1EnergyGasnucleusOrbitalelectronFreeelectronnucleusFreeelectronABA+BnucleusExcitedelectron•能量的供应•发生如下过程：-电离过程-激发过程-离解过程NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining7等离子体概况等离子体产生原理2•一般的方法就是通过电能，或者动能来提供能量，使原子核外电子脱离原子核的束缚。••电能：强电场、微波、激光、宇宙射线等；•动能：高能粒子轰击、加热等。•目前实验室及工业中用来产生等离子体的方法多为为气体放电的方法。比如，根据驱动源不同分为：••微波、RF、AC等NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining8等离子体概况等离子体分类按等离子体的产生分类自然等离子体极光，闪电，电离层等广泛存在于宇宙中实验室等离子体日光灯的放电，射频放电，受控核聚变中的高温等离子体等实验室人为产生按等离子体电离程度分类强电离等离子体电离度大于1%日冕、核聚变等弱电离等离子体电离度小于1%低温等离子体等按等离子体温度分类高温等离子体温度在108—109K太阳、受控热核反应过程低温等离子体温度108K一般部分电离NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining9等离子体概况等离子体重要参数•基本参数：-粒子密度，电子密度、离子密度、中性粒子密度一般电子密度=离子密度，即为等离子体密度-粒子温度，电子温度、离子温度、中性粒子温度热平衡等离子体内近似相等；非热平衡等离子体内电子温度远高于其他Ne(cm-3)Ng(cm-3)Te(K)Ti(K)Tg(K)电离层1051014300300300低气压放电1010-10131014-1017104300-1K300大气压电弧10141017600060006000核聚变10150107107NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining10基本知识-等离子体参数空间密度(cm-3)温度(度)太阳核心磁约束聚变霓虹灯极光火焰闪电日冕氢弹星际空间气体液体固体人类居住环境惯性聚变星云太阳风NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining11等离子体概况等离子体重要参数•其他重要参数：-电离度，α＝ne/ne+ng，在热力学平衡条件下，电离度仅和粒子种类、粒子密度及温度有关-活性粒子数密度，气体分子键断裂形成，直接参与薄膜沉积、刻蚀等工艺过程-德拜长度，等离子体内局部正负电荷不相等形成，重要等离子体判据-等离子体鞘层特征参数，如鞘层厚度、等离子体电位、悬浮电位等，直接影响刻蚀工艺结果NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining12等离子体概况等离子体重要参数-德拜屏蔽等离子体内部产生的局部电场带电粒子附近的电场，被周围粒子的场“屏蔽”，在一定的空间外显电中性。德拜屏蔽等离子体判据：特征响应时间德拜长度NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining13等离子体概况等离子体重要参数-等离子体鞘层1在等离子体与器壁或其中的物体表面的交界处，形成的一个电中性被破坏了的薄层等离子体鞘层偏离电中性厚度约为德拜长度的数倍非等离子区域绝缘体的表面附着着大量电子电子电流=离子电流绝缘体表面的鞘层负的悬浮电位等离子体电位NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining14等离子体概况等离子体重要参数-等离子体鞘层2绝缘体的表面吸引着大量正离子原因：电极有外加负偏压，吸引正离子如果负偏压大于电子温度则排斥电子外加负偏压物体表面的鞘层外加负偏压等离子体电位NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining15等离子体概况等离子体重要参数-等离子体鞘层3在存在外加射频偏压的下电极表面，形成了直流偏压Vp直流偏压形成原因：•没有传导电流流过绝缘介质，正负周期到绝缘介质表面的电子和正离子应该相等•下电极表面电位向负方向漂移，以阻止电子的运动•电子运动速率远大于离子，在很短时间内即可抵消伏负电压时间段内积累的离子电荷产生的直流偏压约为射频偏压峰峰值的一半NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining16Outlines•等离子体概况•等离子体源介绍•等离子体诊断•刻蚀工艺相关参数NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining17等离子体源介绍常见等离子体源•CCP等离子体源(CapacitivelyCoupledPlasma，CCP)•ICP等离子体源(InductivelyCoupledPlasma，ICP)•ECR等离子体源(ElectronCyclotronResonance,ECR)•螺旋波等离子体源，在ICP源基础上外加磁场•表面波等离子体源，去掉ECR等离子体源的磁场NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining18等离子体源介绍气体放电简介气体放电：把在电场作用下气体被击穿而导电的物理现象称之为气体放电。如此产生的电离气体叫做气体放电等离子体。电场类型：•直流放电，可以施加高功率，并简单易行，目前工业仍在使用•低频放电，频率范围1～100kHZ，使用不多•高频放电，频率为10～100MHZ，实验装置和工艺设备中使用最多，又称为射频放电，最常用频率为13.56MHZ•微波放电，频率大于1GHz，常用频率为2.45GHzNMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining19等离子体源介绍CCP等离子体源等离子体中的射频电场是由射频天线/电极的电压产生的，即为电容耦合等离子体，相应的等离子体产生装置即为电容耦合等离子体源。NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining20等离子体源介绍CCP等离子体源特点CCP等离子体源特点：•射频电场加在两电极板上，形成电容，称为容性耦合方式•电场方向垂直于电极面，为纵向场•射频电场与外加电场有关，并与空间位置相关•等离子体区的电阻较小，射频电压降也小，电压分布均匀；射频电压主要降落在阻抗较大的等离子体鞘层区内•电子平均自由程较小，较难获得均匀稳定的高密度等离子体•等离子体密度和能量同时由两极板间的电场控制NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining21等离子体源介绍CCP等离子体源应用介质刻蚀设备•使用双频输入，即上电极输入较高频率（如13.56，27.12，60，100MHZ等）下电极输入较低频率（如2MHz）•高、低频率分别控制等离子体密度和到达硅片表面的正离子能量•可以产生低等离子体电势和硅片表面低的电子温度（使用CCP等离子体源的主要原因）•可以增加磁场从而得到更低的硅片表面电子温度PECVD设备•使用单频输入，多采用13.56MHZ和几十~几百KHz•不同频率可以调节沉积SiNx和SiO2膜的应力类型及大小NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining22等离子体源介绍ICP等离子体源1射频电压加在导电线圈上，由射频电场激发射频磁场，从而产生感应涡旋电场，激发等离子体，即为电感耦合等离子体，相应的等离子体源为电感耦合等离子体源NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining23等离子体源介绍ICP等离子体源2产生等离子体系统：射频发生器匹配器plasmaGenerator功能：•激发恒定功率•检测反射功率match功能：•自动调整内部电容的位置，使负载阻抗为50Ω•尽量较小反射功率确保大部分能量消耗在等离子体内coil功能：•激发感应磁场及电场•将能量传递于等离子体ICP等离子体源为一个变压器模型，又称TCP(TransformerCoupledPlasma,TCP)NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining24等离子体源介绍ICP等离子体形成方式线圈线圈上存在电压等离子体内的感应电场电容耦合放电方式•产生等离子体过程中的放电模式•等离子体空间电位高、电子温度高•等离子体密度较低•等离子体阻抗较大电感耦合放电方式•等离子体密度高•等离子体电子温度低•等离子体阻抗较小功率升高NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining25等离子体源介绍ICP等离子体的主要参数•等离子体阻抗：与很多因素相关，例如腔室材料、RF的连接状态、腔室壁的沉积物等直接与刻蚀工艺状态相关，可以做为腔室匹配和故障诊断的一个标志•下电极自偏压：与等离子体密度等因素相关影响刻蚀速率和刻蚀剖面•等离子体密度、活性粒子数密度等NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining26等离子体源介绍ICP等离子体应用多晶硅刻蚀设备\LEDPSS\GaN刻蚀设备•产生高密度等离子体•通过改变上下电极的功率分别控制等离子体密度和正离子能量•线圈形状是等离子体密度均匀性的一个重要影响因素，影响到刻蚀工艺均匀性•目前常见的线圈形状主要为平面线圈、立体线圈、平面与立体结合线圈NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining27等离子体源介绍ECR等离子体源利用微波产生感应电场，并应用磁线圈，使得电子的回旋频率与输入频率相同从而得到高密度的等离子体，即为电子回旋共振等离子体源微波输入xx磁线圈等离子体产生区等离子体扩散区meBceNMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining28等离子体源介绍ECR等离子体源NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining29等离子体源介绍ECR等离子体源特点•磁线圈的匝数和形状影响着等离子体的均匀性，即工艺均匀性•微波输入的频率典型的为2450MHZ•可以将微波输入改为射频输入，目前在刻蚀设备上有所应用•可以将磁场去掉，成为表面波等离子体源NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining30Outlines•等离子体概况•等离子体源介绍•等离子体诊断•刻蚀工艺相关参数NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining31等离子体诊断•朗谬探针诊断：等离子体密度、电子温度•光谱诊断OES:光谱信息•电学性能诊断：等离子体电学参数•质谱诊断：确定等离子体中包含的离子，并检测离子质量和能量分布NMCConfidential–DoNotCopy–NMCTraining32等离子体诊断朗谬探针诊断•朗谬探针诊断等离子体的基本参数：离子密度Ni、电子密度Ne、电子温度Te、等离子体电势Vp、悬浮电位Vf等•可以诊断的等离子体：常见等离子体Ar,He气等惰性气体，以及N2等也可以进行O2,工艺气体等，但对探针针尖存在污染和损伤，适当使用•可以测量等离子体内多点的等离子体参数•实验过程使用，