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1、第 10 章 真空科学和等离子体,前面讨论过的扩散、氧化和光学光刻是在常压下进行的 ，而离子注入、非光学光刻以及后面要讨论的许多工艺如干法刻蚀、物理淀积、化学汽相淀积等则需要在真空室中进行，有的还要涉及到等离子体和辉光放电的理论和技术。,10.1 气体动力学理论,气体分子热运动速度的大小的平均值,气体分子热运动速度在三个方向上的分量的大小的平均值,气体分子热运动速度的均方值,例如氮气分子在室温下的 约为 240 m/s。,气体分子在两次碰撞之间的平均距离，即 平均自由程,单位时间内撞击单位面积的气体分子的数目,气体的粘滞系数,式中，d 代表分子直径，n 代表单位体积内的分子数。,气体的扩散系数
2、,单位 转换因子 标准大气压（atm） 1.333 10-3 帕或牛顿每平方米（Pa） 133.3 磅每平方英寸（PSI） 1.933 10-2 当将 Torr 转换成所列单位时乘以转换因子，将所列单位转换成 Torr 时除以转换因子。,通常用气体压强来衡量真空度。在集成电路工艺中经常使用的压强单位是 “托（Torr）”（即毫米汞柱 mmHg），虽然它不是一个标准单位。各种压强单位及其换算方式为,10.3 压力范围和真空泵,初真空 0.1 Torr 750 Torr， 10 Pa 105 Pa 中真空 10-4 Torr 10-1 Torr， 10-2 Pa 10 Pa 高真空 10-8 To
3、rr 10-4 Torr， 10-6 Pa 10-2 Pa 超高真空 10-8 Torr， 10-6 Pa,集成电路制造工艺中使用的很多设备，一般工作在初真空或中真空。但是为了得到洁净的真空室，通常要先抽到高真空或超高真空，然后再通入工作气体。有少数设备如分子束外延则需要高真空甚至超高真空。,集成电路制造中使用的初真空泵一般采用旋转叶片泵，也称为机械泵。单级旋转叶片泵能达到的真空度约为 20 mTorr ，而两级旋转叶片泵的真空度则能达到 1 mTorr 。,集成电路制造中使用的高真空泵可分为两大类：一类是转移动量给气体分子而抽吸气体，如扩散泵和涡轮分子泵，主要用于抽吸腐蚀性气体和有毒气体，或
4、抽吸大流量气体。另一类是俘获气体分子，如吸附泵、钛升华泵和溅射离子泵，主要用于抽吸小流量气体，或在需要极高洁净度的场合。,所有的高真空泵都需要低真空泵作为预真空泵。,10.4 真空密封和压力测量,在初真空和中真空段，通常采用“O”形橡胶圈来进行真空腔体的密封。在高真空和超高真空段，则必须采用金属对金属的密封。早期采用类似“O”形橡胶圈的黄金圈。现在一般采用 Conflat 法兰，这是一种夹在两个刀口之间的扁平柔软 2 mm厚的金属环，通常用铜或铜银合金制成。,测量初真空可以使用电容压力计，测量初真空和中真空可使用热偶真空计，而测量高真空和超高真空，就必须使用电离真空计。,等离子体是部分电离的气
5、体。等离子体中的气体分子受到电子碰撞后会发生激发和离化，等离子体中除了含有带电的自由电子和离子外，还含有大量处于激发态的、不稳定的、化学性质十分活泼的中性分子或原子，称为 游离基（或 自由基）。当原子被中等能量的电子碰撞后，其内层电子将被激发到高能状态而成为游离基。游离基的寿命极短，当电子返回基态时，将发射出可见光，这就是 辉光放电。,10.5 直流辉光放电,当原子被大于约 15 eV 能量的电子碰撞时，发生的将是电离而不是激发，这时就不会产生辉光放电。,典型条件：气压 1 Torr，电极间距 10 cm 时电压约 800V，电极间距 5 cm 时电压约 500V。,工作气体,真空室,泵,直流
6、电源,当电压足够高，使真空室内的电场高于气体电离所需的电场时，两个电极间就会产生高压电弧，并产生大量自由电子和离子。电子移向阳极，离子移向阴极。离子与阴极的碰撞产生大量二次电子，这些二次电子在电场中加速以及与原子的碰撞维持了等离子体与辉光放电。,+-,10.6 射频放电,直流辉光放电法只能用于金属电极而不能用于介质材料 ，这是因为轰击阳极介质靶材的电子和轰击阴极介质靶材的离子的电荷无法泄放，使阳极电位不断降低，阴极电位不断升高 ，两极之间的电场不断下降，最终使等离子体消失。,为了解决这个问题，可以采用射频电压来产生等离子体 ，所用的射频频率为 13.56 MHz 。,工作气体,阴极,泵,射频电
7、源,隔直流电容,阳极,Vb,Va,直流偏压,直流电位,暗区,亮区,（等离子区）,阴极,阳极,Z,阴极,射频电源,阳极,亮区,10.7 高密度等离子体,在集成电路制造工艺中，常常利用等离子体中离子轰击的物理作用和游离基的化学作用。为了提高工艺效率，希望提高等离子体的密度。对等离子体施加额外的交变电场与交变磁场，使自由电子的运动路径复杂化，可以急剧增加电子的运动距离和碰撞次数，从而在相同或者更低的气压与功率下增加离化率 ，提高等离子体的密度。,常用的高密度等离子体有电子回旋共振等离子体（ECR）和电感耦合等离子体（ICP）等。,1、平行磁场,阴极,阳极,，方向为垂直穿出屏幕,2、垂直磁场,阴极,阳极,，方向为垂直向下,10.8 小结,本章论述了将作为后续章节基础的科学原理和技术，主要包括 真空技术 和 等离子体技术 两部分内容。,给出了气体分子动力学的一系列公式。介绍了关于真空的基本知识，初、中真空使用旋转叶片泵、“O” 形橡胶密封圈和热偶真空计；高真空通常扩散泵、涡轮分子泵、吸附泵、钛升华泵或溅射离子泵，金属对金属的密封和电离真空计。,介绍了等离子体和辉光放电的基本知识。对于导体材料可采用直流等离子体，对于介质材料则必须采用射频等离子体。可以采用施加额外的电场与磁场来产生高密度等离子体，从而获得高浓度的游离基、自由电子与高浓度低能量的离子。,
