第四章等离子体技术基础()

第四章：等离子体技术基础FundamentalPlasmaPhysics什么是等离子体?等离子就是部分被电离的气体，它是由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物。但由于在等离子体气体中，电子的电量是等于正离子的电量，所以在总体上等离子体气体显示电中性。它包括了带电的粒子和基团，如e-,X+,XY+;还有就是受激的粒子和基团，如X*,XY*。等离子体的应用反应离子刻蚀：RIE、ICP薄膜沉积：等离子体增强化学气相沉积(PECVD)微波增强化学气相沉积(MPECVD)在等离子体气体中，以电子碰撞双原子分子XY为例，若碰撞能量小，则会发生弹性碰撞，电子的动能不会改变。若碰撞能量很高，分子中绕核运动的低能电子，就会在碰撞中获得足够的能量，被激发至离核较远的高能级轨道上运动。我们把这种高能级状态的分子称为激发态分子，用XY*表示。激发态分子中的电子从高能级跳回到低能级时，便以发光的形式发出多余能量(辉光放电)，这个过程称为“退激”。等离子体的产生•若碰撞电子能量足够高，电子吸收的能量就可以使其脱离核的束缚而成为自由电子，也就是分子发生了“电离”，用XY+表示。•电子对分子XY的碰撞也可以使之分解成为X原子和Y原子（离解/裂解）。用“：”表示分子中成键的电子对，离解过程可以表示为X:YX+Y。这样带有未成对电子的X，Y就容易发生化学反应，故称为化学活性或基团。等离子体特性等离子体的基本反应过程等离子体特性应用激发：XY+eXY*+e退激:XY*XY＋hv（光子）离解：XY+eX+Y+e电离：XY+eXY++2eX++Y+2e电子和离子在电场中受加速粒子间的碰撞产生热效应、粒子和固体表面的碰撞发光特性光学应用化学活性化学应用导电性电气应用高速粒子力学应用产生高温热学应用直流辉光放电±LVP高压电源直流电源气体进气口上图所示的是一个简单的等离子体反应室，两个平行的平板包含在一个真空系统中，通过传入真空的功率馈线与直流电源相连，一个高电压源(通常情况下是一个充电电容器)在开始的瞬间被连接到电路中来产生等离子体，电感保护直流电源不受高压电弧影响。pump气体压强为1torr时，对于间距为10cm的电极电压需达到800V才能产生辉光放电，而对于间距为5cm的电极电压则只需达到500V就能产生辉光放电。在电弧被激发前，气体作为绝缘体而不会有电流产生。如果电压足够高，反应腔内的电场高于气体裂解所需要的电场，在两个电极间就会产生高压电弧，这个电弧会产生大量的离子和自由电子。由于腔内电场的作用，电子被加速移向正的阳极，同时离子被加速移向负的阴极。离子穿越放电区并最终打在阴极上。当它们打在阴极上时，就会从阴极的材料中释放出大量的二次电子，这些电子向相反方向加速冲向阳极，如果加在电极之间的电压足够大，这些高能量电子与中性原子的非弹性碰撞将产生更多的离子，这个二次电子的释放和离子的产生过程维持了等离子体。等离子体的形成产生电弧形成离子和自由电子电子加速打向阴极在阴极上形成大量二次电子二次电子与中性原子非弹性碰撞等离子体的形成过程阴极阳极-+000ξρρ正电荷负电荷电场等离子体中，电荷密度和电场与电极间位置的关系阴极阳极-+Crooke暗区PositivecolumeFaraday暗区Anode暗区只有中等能量的电子（不大于15eV）在退激过程中可以发出可见光，包含此类电子较少的区域就叫做暗区。在阴极附近区域的大多数电子具有非常低的能量，被称为Crooke暗区。阳极是电子的吸附器，因此阳极附近电子的密度非常小，没有可观的发射，这个暗区称为Anode暗区。在阴极与阳极之间也存在一个区域，那里电子被加速到非常高的能量，导致电离，只有极少电子具有适合发光的能量，这个区域称为Faraday暗区。在微纳加工中常用的等离子体设备中，主要利用的是Crooke暗区的大电场。漂移和扩散到这个区域边缘的离子被加速而快速移向阴极，这样可以利用离子轰击放置在阴极上的硅片或其它样品，实现不同的处理工艺。Crooke暗区的宽度取决于反应真空腔室的压力，在低压状态下，电子的平均自由程增加，暗区宽度也增大。通过控制腔室的压力，就能控制离子轰击表面的能力。通常，直流等离子体系统的腔室压力要大于1mTorr。射频放电在实际应用中，等离子体设备中的某一电极的材料是绝缘的，例如，光刻胶和氧化层都是绝缘体，当离子轰击其表面时，会激发二次电子。结果导致上述绝缘层表面存在电荷积累，使Crooker暗区中的电场减小。为解决上述问题，必须采用交流信号来驱动。业界采用频率为13.56MHz的射频(RadiationFrequency,RF)电源为驱动电源，该频率是美国通信委员会单独留给此项应用。电容耦合等离子体~RF电源隔直流电容Plasma接地电极A高频电极B在射频等离子体系统中，由于射频交变频率为13.56Hz，在此频率下，离子的运动跟不上电压的变化，相反，电子可以被加速。结果：电子交替撞击上下电极表面，相对于等离子体，在两端产生净的负电荷。在这种情况下，每个电极附近都会有一个暗区。++V1V2VplasmaTopElectrodeBottomElectrode上图是反应腔内直流电压与位置间的函数，射频信号附加在直流电平上。由于等离子体是可导电的，在辉光放电区内电压降很小。然而，由于净负电荷的聚集，在等离子体和电极间，存在这着很大的直流电压降。V1≡Vplasma–VtopV2≡Vplasma–Vbottom可以这样标注电压：41221VAVA如果上下电极面积A1和A2相同，根据对称性，它们与等离子体间的电势差相同。然而，对于非对称腔体，考虑流过等离子体的电流，可有如下关系式：为了使等离子体和下电极间的电压差最大，得到大的离子轰击能量，通常是采用增加上电极的面积的方式。实际应用中是将上电极与真空腔体连接，上电极面积实际相当于实际电极加上真空腔面积。通常，一个简单的电容性放电等离子系统中，离子和基团只占整个等离子气体的很少一部分。在实际应用中(等离子体刻蚀、PECVD镀膜)，希望获得高密度的离子和基团，提高刻蚀或沉积的速率。Plasmacontainsgasmolecules,radicals,ionsandelectrons.Feedgas~98%,Radicals~2%Ionsandelectrons~0.001%普通CVD沉积与等离子体增强沉积速率的比较高密度等离子体(HDP)高密度等离子体中离子密度≥1011m-3这类设备包括：磁控等离子体(MagneticEnhancedPlasma,MEP)电感偶合等离子体(InductiveCouplePlasma,ICP)电子回旋共振等离子体(ElectronCyclotronResonance,ECR)所有的这类等离子体源都是利用横向电场和磁场增加电子在等离子体中的行程（为什么不是增加等离子体的行程？）从而增加电子与原子的碰撞几率，以提高等离子体中受激基团和离子的密度。磁控等离子体如果有一个磁场加到等离子体上，洛伦兹力会偏转电子，使其在与速度和磁场方向均垂直的方向运动(圆周运动)。由于同时存在电场，因此电子做螺旋线运动，电子的路径被延长了，增加了碰撞电离的几率，增大了离子和自由基团的密度。,mvFqvBrgB电感耦合等离子体(ICP)高频放电可以分为电场型放电和磁场型放电。其中磁场型放电是由于磁场随时间变化引起感应电场(法拉第电磁感应定律)，利用这个电场加速电子来维持等离子体，这种方法生成的等离子体称为电感耦合等离子体(Inductivelycoupledplasma,ICP)RF线圈IRFIPPlasma如上图所示，当沿z轴的螺线管线圈中通有直流电流I时，在线圈内就会产生z轴方向的匀强磁场H和磁通Φ。而当电流以角频率ω振荡时，由法拉第电磁感应定律可知Φ随时间变化会产生电动势V，也就是产生感应电场Eθ(r,t)。等离子体中的电子在这个电场的作用下被加速，于是在抵消RF电流磁场方向上会形成等离子体内的涡电流。z电感耦合等离子体(ICP)RF电源RF线圈PlasmaInductivelyCoupledPlasmaSystemRF频率:13.56MHz等离子体密度:1017~1018m-3ECR系统是利用垂直磁场及交变电场，增加气体电离几率，电场增加电子的速度，磁场改变电子速度矢量方向。电子回旋共振：当有磁场存在时，电子作环绕磁力线的回旋运动。如果从外部施加一个同一频率的振荡电场，电子会受到同相位电场的加速(随交变电场来回振荡)。当电场角频率和电子回旋运动的角频率相等时(高耦合效率)，电子发生共振加速，获得高能量。电子回旋共振等离子体(ECR)ECR电子轨迹模拟图像•共振频率：