第五章+真空等离子体与刻蚀技术

第五章真空、等离子体与刻蚀技术5.1.1麦克斯韦分布和分子碰撞模型5.1.2气体的流动与传导率5.1.3真空压力范围与真空泵结构5.1.4真空密封与压力测量5.1.5等离子产生5.1真空与等离子体主要内容5.1.1麦克斯韦分布和分子碰撞模型将气体分子作为硬球看待，速度的概率分布可由Maxwell的速度分布得出，如下图。kTmvevkTmvP2/22/3224)(其中，m为分子质量，k为玻尔兹曼常数，v为速率大小，T为温度（单位K）。08)(mkTdvvvPcvmkTvvvzyx2mkTvrms3均方根速率分子碰撞模型气体分子热运动的方向是随机的，在没有外力作用的情况下，平均速度为零。常压情况下，气体速度改变的主要机制之一是气态分子的相互碰撞。直径为d的分子随机运动,另外一个分子如处在第一个分子运动路径的距离d之内，就会发生碰撞。分子具有d2碰撞截面，在距离L内的碰撞概率为：其中，n为每单位体积的气体分子数。若设P≈1，则两次碰撞间的平均距离，称为平均自由程：实际根据更严格的统计学应当修正为ndLP2nd21pdkTnd22221p为腔体内压力气体动力学理论导出的几个公式其中，为单位体积的气体热容量，为平均速度，这些公式在平均自由程小于腔体特征长度（λL）的情况下适用，称为粘滞流状态。vCc几种压力单位的转换因子Torr:使汞柱升高1mm的压力5.1.2.气体的流动与传导率体积V内气体的质量其中ρ为质量密度质量流速气体流量率（单位为标准升或标准立方厘米每分钟）气体流量常用标准体积来测量，即相同气体在0℃和1个大气压下所占据的体积。例如，1标准升就是在273K，1atm下占据1升空间的气体量，由于1摩尔（mol）气体在标准条件下是22.4升，故1标准升为1/22.4摩尔。一标准升每分钟的气体流量率是760托·升/分钟（Torr·L/min）。VGdtdGqmgpqQm对右图的真空系统，假定气流以均匀压力p1流过腔室，一根管道连接腔室和泵，泵的入口压力位p2，则真空部件（管道）的气体传导率为21ppQC并联气体传导率串联气体传导率直径为D，长度为L的管道，对粘滞流体系，其气体传导率为：321CCCCseries3211111CCCCseriesavPLDsTorrC4115108.1LDPav是压力p1和p2的平均值真空腔室压力的控制典型泵的体积流速无法单独控制，对大多数泵而言，抽速（体积置换率）在很大的入口压力范围内接近常数，因而流量随入口压力上升，通过调节腔室内气体的流速，可以设置腔室的压力。截流阀—安装在泵线（管道）上用来控制腔室压力dtdVPQSppp泵的抽速：（L/min），Q是气体流量率，Pp是泵的入口压力LD5.1.3真空压力范围与真空泵结构初真空0.1Torr～760Torr10Pa～105Pa中真空10-4Torr～10-1Torr10-2Pa～10Pa高真空10-8Torr～10-4Torr10-6Pa～10-2Pa超高真空10-8Torr10-6Pa半导体加工中使用的大部分工艺设备，一般工作在初或者中真空段。洁净的腔室在通入工艺气体前通常要抽到高或者超高真空段。几种典型的真空泵结构活塞式机械泵吸气阶段，气体经过右侧阀进入汽缸。压缩阶段，两个阀均关闭，气体被压缩。排气阶段，气体经过左侧阀被排出到高压力区。旋片式机械泵采用旋片代替活塞进行抽气和压缩运动。单级旋片式机械泵的终极真空大约为20mTorr，两级泵则能达到1mTorr以下。此类压缩泵工作时，水蒸气的凝聚可能导致腐蚀。需要泵油，可能会对真空腔室产生污染。获得高排量的途径：（1）增加每次抽吸的体积；（2）增加泵的转速。增压器——罗茨泵罗茨泵可被作为常规的旋片式机械泵的预压缩装置使用，用来提高入口压力，增加排量。特点：转速快，抽速大，压缩比低油扩散泵真空泵油经电炉加热沸腾后，产生一定的油蒸汽沿着蒸汽导流管传输到上部，经由三级伞形喷口向下喷出，形成一股向出口方向运动的高速蒸汽流。油分子与气体分子碰撞，把动量交给气体分子自己慢下来，而气体分子获得向下运动的动量后便迅速往下飞去。在射流的界面内，气体分子不可能长期滞留，因而界面内气体分子浓度较小。由于这个浓度差，使被抽气体分子得以源源不断地扩散进入蒸汽流而被逐级带至出口，并被前级泵抽走。慢下来的油蒸汽流向下运动过程中碰到水冷的泵壁，油分子冷凝，沿着泵壁流回蒸发器继续循环使用。不能与大气相连，需与前级（机械泵）联合，预抽1Pa左右。可能有回油污染。涡轮分子泵利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流动而抽气的真空泵。由许多级组成，每个级上都包括以大于2000r/min的极高转速的风机叶片和一套被称为定子的静止的叶片，定子和转子之间的间隙为1mm量级。每一级的压缩比不大，但级数很多，整个泵的压缩比可达109。涡轮分子泵的优点是启动快，能抗各种射线的照射，耐大气冲击，无气体存储和解吸效应，无油蒸气污染或污染很少，能获得清洁的超高真空。低温吸附泵（Cryopump或者Sorption）由闭合循环冷冻机组成，冷冻机的冷头一般维持在20K左右，封装在泵体里并连接到真空系统，通过低温凝聚气体分子。需前级泵，具有最高极限真空度，无回油污染问题，但工作后需再生处理(与腔隔离后，经过加热和被抽吸以释放出吸附的气体)。或者活性Al2O3钛升华泵溅射离子泵加热Ti丝，使Ti原子蒸发出来。Ti与反应室内的气体分子反应，凝结在腔壁上。阳极和阴极间加高压，电子在阳极被加速，在磁场作用下旋转。气体分子与旋转的电子碰撞而电离（潘宁放电），气体离子被加速向阴极运动，被阴极材料（如Ti）吸附，并且把表面的Ti溅射出来。溅射出来的Ti原子还可以与气体离子反应，使抽速增大。常用真空泵的工作范围5.1.4真空密封与压力测量真空密封——“O”形圈人造橡胶上图和中图为两种人造橡胶的“O”环密封方式，用于一般真空的密封，对于低于10-7Torr的高和超高真空，则需要使用金属对金属的密封，如下图所示，称为Conflat法兰。真空测量①电容压力计依靠待测腔体和参考容积之间的压力差异来产生机械上的偏移，电容压力计就是捕捉薄的金属隔膜的偏移。②热电偶规使电流流过灯丝进行加热，气体分子通过碰撞冷却灯丝，其导热率随真空度变化，通过改变灯丝电压维持灯丝电流恒定，使用热电偶测量灯丝温度从而确定真空度。灯丝热电偶③Pirani规参比灯丝密封在高真空管中，通过惠斯通电桥电流大小测量真空度。其灵敏度要高于热电偶规。④离子规低于1mTorr的真空需用离子规测量。通过电流离化规表中气体，并通过电场收集离子，离子流大小与腔室中压力具有一定的函数关系。5.1.5等离子体产生1.直流辉光放电两个平板电极被封装在一个真空系统中，在平板电极两端施加电压，当电压足够高到使反应腔内的电场高于气体裂解所需电场，在两电极之间就会产生电弧，制造大量的离子和自由电子并分别向阴极和阳极移动。电子质量小，比离子运动快得多。离子与阴极的碰撞释放出大量二次电子，加速冲向阳极。如果电极之间的电压足够大，这些高能电子与中性气体分子的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。无光放电区（a-b区间）在一般情况下，气体基本处于中性状态，只有极少量的原子受到高能宇宙射线的激发而电离。当有外电场时，电离产生的离子和电子作定向运动，运动速度随电压的增加而加快，因此电流也从零逐渐增加。当电极之间的电压足够大时，带电粒子的运动速度达到饱和，再增加电压，到达电极的电子和离子数目不变，电流也不随之增加。由于电离量很少，宏观上表现出的电流很微弱，且不稳定，一般仅有10-16-l0-12A，取决于气体中的电离分子数。这个区域导电而不发光，称为无光放电区，如图中的ab段所示。agcdefb汤生放电（b-c区间）当电极间的电压继续升高时，电子的运动速度加快，电子与中性气体分子之间的碰撞不再是弹性碰撞，而会使气体分子电离，产生正离子和电子(α作用)，同时正离子对阴极的碰撞也将产生二次电子(γ作用)。新产生的电子和原有的电子继续被电场加速，在碰撞过程中有更多的气体分子被电离，使离子和电子数目雪崩式的增加，放电电流也就迅速增大，在伏安曲线上便出现汤生放电区，如的bc段所示。在汤生放电区，电压受到电源高输出阻抗和限流电阻的限制而呈一常数。无光放电和汤生放电，都是以存在自然电离源为前提，这种放电方式又称为非自持放电。辉光放电在汤生放电之后，气体突然发生放电击穿现象，电流大幅度增加，同时放电电压显著下降。放电的着火点—c点，放电区只是阴极边缘和不规则处前期辉光放电—cd段，电流增加而电压下降，产生负阻现象，这是因为气体被击穿，气体内阻将随着电离度的增加而显著下降。正常辉光放电区—de段，电流的增加与电压无关，只与阴极上产生辉光的表面积有关。在这个区域内，阴极的有效放电面积随电流增加而增大，而阴极有效放电区内的电流密度保持恒定。在这一阶段，电子和正离子数目大大增加，在碰撞过程中转移的能量也足够高，因此会产生明显的辉光，维持辉光放电的电压较低，而且不变。气体击穿之后，电子和正离子来源于正离子轰击阴极产生大量二次电子，然后电子的碰撞使气体电离，即使不存在自然电离源，放电也将继续下去。这种放电方式又称为自持放电。反常辉光放电反常辉光放电—ef段，电流增大时，两个极板之间电压升高，而且阴极电压降的大小与电流密度和气体压强有关。e点时，辉光已布满整个阴极，再增加电流时，离子层已无法向四周扩散，正离子层向阴极靠拢，与阴极间距离缩短。此时要想提高电流密度，必须增大阴极压降使正离子有更大的能量去轰击阴极，使阴极产生更多的二次电子才行。电弧放电电弧放电—fg段，随着电流的继续增加，放电电压将再次突然大幅度下降，电流急剧增加，这时的放电现象开始进入电弧放电阶段。辉光放电的离子和电场分布在等离子体内部，离子和电子的密度是相等的，由于电子被从阴极快速加速，在阴极附近电子的密度比离子密度要小得多，这个区域会产生净的正电荷，在接近正电荷区域的边缘，电子获得了足够的能量产生离子，使得在等离子体中，离子的密度随着距离而增加，这些正电荷屏蔽了从阴极附近起始的等离子体的其余部分，减少了电场和离化的速度。结果，在等离子体的其余部分，离子的密度回落到一个常值。净的正电荷辉区与暗区当一个中等能量的电子以非弹性碰撞方式散射出中性原子时，将把一个内层原子激发到高能量态，这个状态的寿命非常短（10-11s的量级），当电子返回基态时，以可见光辐射的形式释放出能量，这一光学发射过程，产生了辉光放电中的光。这一过程中需要高浓度的中能量电子，具有大于15eV能量的电子首先离化气体中的分子而不是激发它们。根据以上规律，在辉光放电时，因各部分电子能量不同，整个放电管将呈现明暗相间的光层。（低能电子）（低电子密度)（电离)存在一个大电场2.射频放电直流放电中，电荷在表面的积聚会使电场减小，直到等离子体消失。为了解决这一问题，可以使用交流信号来驱动等离子体。如图为一个典型的射频等离子体系统。在射频电场中，因为电场周期性地改变方向，带电粒子不容易到达电极和qi壁而离开放电空间，相对地减少了带电粒子的损失。在两极之间不断振荡运动的电子可以从高频电场中获得足够的能量使气体分子电离，只要有较低的电场就可以维持放电。阴极产生的二次电子发射不再是气体击穿的必要条件。射频电场可以通过任何一种类型的阻抗耦合进入淀积室，所以电极可以是导体，也可是绝缘体。射频等离子体中电压分布射频等离子体中，电子被迅速地加速，在交替的周期内，电子会分别撞击两侧电极，因此每一个电极附近都会有暗区的存在，下图所示为腔室内直流电压与位置间的函数，射频信号附加在直流电平上。由于等离子可到导电，在辉光放电区电压降很小；由于电子耗尽，等离子体和电极之间，存在很大的直流电压降。topplasmaVVV1bottomplasmaVVV24