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1、微细加工微细加工-10-10-真空真空 10.1 气体动力学理论气体动力学理论 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气体分子热运动速度的均方值 例如氮气分子在室温下的例如氮气分子在室温下的 约为约为 240 m/s。 集成电路制造中使用的高真空泵可分为两大类：一类是转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
2、体和有毒气体，或抽吸大流量气体用于抽吸腐蚀性气体和有毒气体，或抽吸大流量气体。另一类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。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。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真空密封和压力测量 在初真空和中真空段，通常采用在初真空和中真空段，通常采用“O”形橡胶圈来进行真空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腔体的密封。在高真空和超高
3、真空段，则必须采用金属对金属的密封。早期采用类似的密封。早期采用类似“O”形橡胶圈的黄金圈。现在一般采用形橡胶圈的黄金圈。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法兰，这是一种夹在两个刀口之间的扁平柔软 2 mm厚厚的金属环，通常用铜或铜银合金制成。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。真空计。 等离子体是等离子体是部分电离的气体部分电离的气体部分电离的
4、气体部分电离的气体。等离子体中的气体分子受到等离子体中的气体分子受到电子碰撞后电子碰撞后会发生会发生激发和离化，等离子体中除了含有带电的自激发和离化，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，称为性质十分活泼的中性分子或原子，称为 游离基游离基游离基游离基（或（或 自由基自由基自由基自由基）。）。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，状态而成为游离基。
5、游离基的寿命极短，当电子返回基态时，将发射出可见光，这就是将发射出可见光，这就是 辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电。 10.5 直流辉光放电直流辉光放电 当原子被大于约当原子被大于约 15 eV 能量的电子碰撞时，发生的将是电能量的电子碰撞时，发生的将是电离而不是激发，这时就不会产生辉光放电。离而不是激发，这时就不会产生辉光放电。 典型条件：气压典型条件：气压 1 Torr，电极间距电极间距 10 cm 时电压约时电压约 800V，电极间距电极间距 5 cm 时电压约时电压约 500V。工作气体工作气体真空室真空室泵泵直流直流电源电源 当电压足够高，使真空室内的电场高于气体电离所需的电当电压足
6、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自由电子和离子离子。电子移向阳极，离子移向阴极。离子与阴极的碰撞产生电子移向阳极，离子移向阴极。离子与阴极的碰撞产生大量大量二次电子，这些二次电子在电场中加速以及与原子的二次电子，这些二次电子在电场中加速以及与原子的碰撞碰撞维持了等离子体与维持了等离子体与辉光放电。辉光放电。+- - 10.6 射频放电射频放电 直流直流辉光放电法辉光放电法只能用于金属电极而不能用于介质材料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
7、材的离子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。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，为了解决这个问题，可以采用射频电压来产生可以采用射频电压来产生等离子体等离子体 ，所用的射频频率为所用的射频频率为 13.56 MHz 。 工作气体工作气体阴阴极极泵泵射频射频电源电源隔直流电容隔直流电容阳阳极极VbVa直流电位直流电位暗暗区区亮区亮区（等离子区）（等离子区）阴极阴极阳极阳极Z阴阴极极射频射频电源电源阳阳
8、极极亮区亮区 10.7 高密度等离子体高密度等离子体 在集成电路制造工艺中，常常利用等离子体中在集成电路制造工艺中，常常利用等离子体中离子离子轰击的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等离子体的密度。对密度。对等离子体施加额外的交变电场与交变磁场，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，
9、提高等离子体的密度。等离子体的密度。 常用的高密度等离子体有常用的高密度等离子体有电子回旋共振电子回旋共振等离子体等离子体（ECR）和和电电感耦合感耦合等离子体等离子体（ICP）等。等。 1 1、平行磁场、平行磁场、平行磁场、平行磁场阴极阴极阳极阳极，方向为垂直穿出屏幕，方向为垂直穿出屏幕 2 2、垂直磁场、垂直磁场、垂直磁场、垂直磁场阴极阴极阳极阳极，方向为垂直向下，方向为垂直向下 10.8 小结小结 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，主要包括包括 真空技术真空技术真空技术真空技术 和和 等离子体技术等离子体技术等离子体技术等离子
10、体技术 两部分内容。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、基本知识，初、中真空使用旋转叶片泵、“O” 形橡胶密封圈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。升华泵或溅射离子泵，金属对金属的密封和电离真空计。 介绍了等离子体和介绍了等离子体和辉光放电辉光放电的基本知识。对于导体材料可的基本知识。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采用直流等离子体，对于介质材料则必须采用射频射频等离子体。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，从而获得高浓度的获得高浓度的游离基、游离基、自由电子与高浓度低能量的离子自由电子与高浓度低能量的离子。结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！20
