8-工艺腔内的气体控制

半导体制造技术第8章工艺腔内的气体控制本章内容•8.1真空•8.2真空泵•8.3工艺腔内的气流•8.4残气分析器•8.5等离子体•8.6工艺腔的沾污8.1真空——工艺腔•现代的硅片处理工艺通常用到发生在工艺腔里的反应。工艺腔是指一个受控的真空环境。☻控制气态化学品的流入，并在尽量靠近硅片的地方发生反应☻在真空环境中保持预定的压强☻去除不需要的水汽、空气和附加反应☻创建一个能够使化学反应（例如产生等离子体）发生的环境☻控制硅片的加热和冷却20年代初期的真空钟罩钟罩隔离阀气体分子真空泵尾气图8.1多腔集成设备真空的益处创建洁净的环境：去除颗粒、不需要的气体、水汽和沾污物降低分子密度：减少沾污，去除起妨碍作用的气体（降低分子干扰）增大分子碰撞的距离：提供必要条件用以创造半导体制造业中溅射和刻蚀等工艺需要的等离子区加速反应过程：降低反应蒸气的压强，使得它们可以更快地与其他原料反应，从而有助于加速反应进程产生一种动力：例如机械臂控制硅片所用的真空吸力真空级别•初级759~100托氧化、光刻、抛光•中级100~10-3托刻蚀、淀积、金属化•高级10-3~10-6托离子注入、测量•超高级10-6~10-9托测量2020/6/29集成电路工艺8平均自由程•一个运动的气体分子在撞上另一个分子之前运动的平均距离叫做平均自由程（MFP）760托1×10-3托1×10-9托分子个数/立方厘米3×10194×10134×107平均自由程5×10-6cm5cm48km8.2真空泵旋转支架干性机械泵ExhaustportCompressedgasesRotorsIntakePortStatorhousing(a)(b)(c)UsedwithpermissionfromInternationalSEMATECHFigure8.4罗茨增压泵PumpoutlettoroughingpumpPumpinletconnectedtoprocesschamberLobesrotaterapidlyinoppositedirectionsforcinggasthroughtheoutlet.Figure8.5涡轮分子泵叶片RotorStatorMotorOutletInletStatorStatorjoinedtopumphousingRotorUsedwithpermissionfromVarianVacuumSystemsFigure8.6冷凝泵压缩器和泵模块CryopumphousingColdheadGaslinesOutlettoroughingpumpInlettoprocesschamberCompressorUsedwithpermissionfromVarianVacuumSystemsFigure8.7集成工艺中的真空8.3工艺腔内的气流•对工艺腔控制气流最基本的要求有：具备控制各种通用和特种气体的能力，包括很多腐蚀性或有毒的气体。对进入工艺腔气流的控制要精确且可重复。在工艺进行过程中应当可以控制混合气体的比例。腔体中的材料既不能受工艺气体的影响，也不能在气流中产生沾污。产量•当讨论气流传输系统或真空的时候，标准条件下气流的量被称为产量（Q）。•产量就是在一段特定时间内通过真空系统中某一点的气体分子的净数目。•产量的单位：托/秒、升/秒、标准立方厘米/分(sccm)、标准升/分(slm)泵速•泵常用泵速来描述，反映泵去除气体的效率。•泵速通常用单位时间内的容积数量来表达（如升/秒或立方英尺/分）。质量流量计•进入腔体的气流通过质量流量计（MFC）来控制•MFC利用气体的热传输特性，直接测量进入腔体的质量流量比率。质量流量计UsedwithpermissionfromInternationalSEMATECHFigure8.10加热线圈传感线圈测量管气流阀旁路测量与控制电子电路8.4残气分析器•残气分析器（RGA）是工艺腔设备的重要部分，用来检验残留在已清空系统中的气体分子的类型。•RGA的原理就是隔离、鉴别和测量腔中所有的气体分子。RGA可以测量真空系统中每种气体成分的局部压力分布，以及所有气体分子的总压力。•实时监控的RGA可以直接监控腔中的化学成分，以快速进行工艺问题诊断，确保工艺正常进行。RGA基本构成8.5等离子体•等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体，包括中性原子或分子、带电离子和自由电子。•在一个有限的工艺腔内，利用强直流或交流电磁场或是用某些电子源轰击气体原子都会导致气体原子的离子化。•等离子体可以提供发生在硅片表面的气体反应所需的大部分能量，因此被广泛应用。等离子体Plasma•等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物理，地球物理等科学的进一步发展提供新的技术和工艺。•PlasmaScienceandTechnology•中科院等离子体物理研究所奇异多采的等离子体现象•在地球上我们通过人工的办法可以产生一些电高度不高的“低温”等离子体。在大气层中也存在一些奇异多采的等离子体现象，其中象球状闪电、极光等奇特景象。辉光放电•通过在混合气体中施加直流电压或者射频（RF）范围内使用交流电都可以产生辉光放电。•当施加电能时，混合气体中的自由电子被加速，穿过混合气体，然后与原子或分子相撞，在碰撞过程中释放出附加的电子。•高能电子与中性原子或离子相撞并激发它们。这些受激发的原子或离子存在的时间很短，当它们返回其最低能级时，能量以发射声子（或光）的形式释放。8.6工艺腔的沾污•在带有真空的工艺腔内，痕量水是最显著的沾污源。•为了降低工艺腔内吸附的水产生的沾污，需要减少以清洗为目的的开启或拆开的工艺反应室。通过在线清洁技术可以实现这一点。本章重点•真空的优点、范围•等离子体和辉光放电•工艺腔的沾污