《半导体工艺制造技术-维纳尺度工程第七章+真空等离子体与刻蚀技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《半导体工艺制造技术-维纳尺度工程第七章+真空等离子体与刻蚀技术（74页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七章 真空、等离子体 与刻蚀技术7.1 真空压力范围与真空泵结构 7.2 真空密封与压力测量 7.3 等离子产生 主 要内容 7.4 刻蚀的基本概念 7.5 湿法刻蚀机理 7.6 化学机械抛光（CMP） 7.7 干法刻蚀机理 7.8 干法刻蚀设备 7.9 常用材料的干法刻蚀7.1 真空压力范围与真空泵结构 初真空 0.1 Torr 760 Torr 10 Pa 10 5 Pa 中真空 10 -4 Torr 10 -1 Torr 10 -2 Pa 10 Pa 高真空 10 -8 Torr 10 -4 Torr 10 -6 Pa 10 -10 Pa 超高真空 10 -8 Torr 10 -10
2、Pa 半导体制造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 在半导体工艺与制 造技术中， 除了之前介 绍的常压工 艺外， 有的工艺还需要在具有一定真空度的腔室内（chamber ） 进行 ， 例如等离子体刻蚀。 这里将介绍一些用于产生、 容纳、 测量真 空 的基本设备。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
3、离d 之内 ， 就会发生碰撞 。 分 子具有d 2 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 P1 ， 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 n d L P 2 = n d 2 1 p d kT n d 2 2 2 2 1 = p 为腔体内压力 真空与分子运动平均自由程(why 真空？)真 空实现- 几种 典型 的真空泵 结构 活塞式机械泵 吸气阶段，气体经过下侧 阀进入 汽缸 压缩阶段，两个阀均关闭 ，气体 被压缩 排气阶段，气体经过上侧 阀被排 出到高 压力区采用旋片代替活塞进行抽
4、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 。 旋片式机械泵增压器罗茨泵 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 气体入口 相同的转子 气体出口 罗茨泵工作原理油扩散泵 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
5、 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
6、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10 9 。 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 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
7、回油污染问题， 但工作后需再生处理。 除He 气外 ， 整个腔室中的气体会在冷 头凝结 ， 最终冷头上吸附气体达到饱 和 ， 低温泵与腔室隔离， 经过加热和 被抽吸以释放出吸附的气体， 再进行 制冷以恢复工作状态。 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/Ta ） 吸附， 并且把表面的Ti/Ta 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
8、。 原理类似 极其洁净 ， 耐用， 易操作 钛升华泵 溅射离子泵常用真空泵的工作范围 真空泵种类 工作压强范围（Pa ） 启动压强（Pa ） 活塞式真空泵 110 5 -1.310 2 110 5 旋片式真空泵 110 5 -6.710 -1 110 5 罗茨真空泵 1.310 3 -1.3 1.310 3 油扩散泵 1.310 -2 -1.310 -7 1.310 涡轮分子泵 1.3-1.310 -5 1.3 低温吸附泵 1.3-1.310 -11 1.3-1.310 -1 钛升华泵 1.310 -2 -1.310 -9 1.310 -2 溅射离子泵 1.310 -3 -1.310 -9 6
9、.710 -17.2 真空密封与压力测量 真空密封方式 下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 -7 Torr 的高和超高真空， 则 需要使用金属对金属的密封， 如 右 图所示，称为Conflat 法兰 。 一般真空 高/超高真空 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 。 热电偶规 灯丝 热电偶 真空测量 电容压力计 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
10、从而确定真空度。 Pirani 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。 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 子电流大小与腔室中压力 具有一 定的函 数关系7.3 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。 等离子体产生及维持： 高压电弧产生离子和自由电子 电子阳极，
11、离子阴极 离子轰击阴极产生大量二次电子 二次电子阳极运动，与气体中性分子碰撞产生更多离子 + + + - - - - 阴极 (-) 阳极 (+) + 1 2 3 4 2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
12、-16 - l0 -12 A ，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 。 a g c d e f b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( 作用) ，同时正离 子对阴 极的碰 撞也将 产 生 二 次电子( 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
13、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 。 a g c d e f b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
14、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。 a g c d e f b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
15、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（正离子自饱和）。 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。 a g c d e f b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
16、 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。辉区与暗区 当一个中等能量的电子以非弹性方式 与中性原子碰撞时， 将把一个内层原子 激发到高能态 ， 这个状态的寿命非常短 （10 -11 s 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 。 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。 直流等离子 体 的组成 Aston dark space (DS): 电 子能量
