第6章真空科学与等离子体

1、第六章第六章 真空科学与等离子体真空科学与等离子体 硅片处理工艺通常是在工艺腔里发生化学反应。所谓工艺腔是指一个受控的真空环境，使得化学反应能够在受控条件下进行。因此工艺腔也被称为反应室。引言引言 工艺腔有众多功能： 1）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； 2）在真空环境中保持预定的压强； 3）去除不需要的水汽、空气和附加反应； 4）创建一个能够使化学反应发生的环境； 硅片制造中的许多化学反应都是在真空条件下进行的。采用真空的益处见表6.1。6.1 真空真空 (Vacuum)一一. 真空范围真空范围 真空可分为低级真空(759100托)、中级真空(10010-3托)、高级真

2、空(10-310-6托)以及超高级真空(UHV) (10-610-9托)。 地球外层空间的真空大概是10-16托 SEM的工作腔大概是10-410-5托 离子溅射气氛大概是0.10.01托 1托(torr)1mm毫米汞柱133.28 Pa 低级真空有两个重要的特征：气流主要是由分子间碰撞产生的；压强高得足以用机械型压力测量仪测量。低级真空通常用于包含以下条件的制造工艺：依靠气相化学反应、分子间的动能传输以及气体与界面间的快速相互作用。 中级真空是低级和高级真空之间的过渡阶段。高级真空的定义是气体分子之间很少有碰撞。这种条件导致非常洁净的硅片表面。超高级真空是高级真空的延伸，通过对真空腔的设计和

3、材料的严格控制尽量减少不需要的气体成分。 根据气体动力学理论，把气体分子作为硬球体看待，那么其速度的概率分布可由Maxwell的速度分布得出。对于一种简单的单一气体，其分子的速度分布概率由下式给出： 式中，m是分子质量，k是玻尔兹曼常数，v是速率的大小，T是用开尔文表示的温度，速率或者速度的大小的平均值由下式给出：23/22/2( )42mvkTmp vv ekT速度在任一方向上的分量的平均值由下式给出：均方根速度由下式给出： 常压下，气体改变速度的主要机制之一是气态分子的相互碰撞。考虑在气体中，一个直径为d的分子随机运动，如果另一个同类型的分子，处在第一个原子运动路径的距离d之内，就会发生碰

4、撞。那么在简单的硬球体近似假设下，分子具有 的碰撞界面，是单个分子实际碰撞截面的4倍。在距离l内，发生碰撞的概率由下式给出： 式中，n是每单位体积的气体分子数，对于像N2和O2这样的双原子分子，d一般取作3A，如果我们设 ，则两次碰撞间的平均距离，通常叫做平均自由程，可以近似为2d2Pl d n1p 21d n212 d n22kTd p更为严格的统计学处理将给出因为n通常是未知的，只能通过状态方程计算得出。理想气体定律：是用得最多的。其中p是腔体的压力，代入方程：NpnVkT 通量密度可定义为单位时间通过单位面积的净分子流量。Jn同样能被定义为单位时间轰击单位面积表面的分子数目。由下式给出：

5、22222xnnvn kTpJnkTm二二. 平均自由程平均自由程 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平均自由程。程。当真空里的压强降低时，气体分子间的空间加大了，这成为气体流过系统及在工艺腔内产生等离子体的重要因素。空气在不同压强范围和标准温度下的平均自由程参见表6.2。 表表6.2 6.2 平均自由程和分子密度与压力的关系平均自由程和分子密度与压力的关系三. 真空泵真空泵 在半导体制造业中有很多种不同的真空泵。分为初级和高级真空泵。常见的初级泵有干性机械泵和增压/调压泵。高级真空泵用来获得高级和超高级真空。常见的高级泵有加速分子泵和冷凝泵。初级泵初级泵 初级泵

6、有几种用途：在腔内创造近似中级真空；清空多腔集成设备中接收硅片的区域；为高级真空泵抽气。 初级泵可以去除99.99的原始空气或其他成分。高真空泵高真空泵 用来获得压力范围在10-3到10-9托的高级和超高级真空。 常见的高级真空泵有：加速分子泵和冷凝泵。 加速分子泵（涡轮泵）：运作机理是机械化的压缩，同时运用磁悬浮轴承来避免使用润滑剂和特殊防震设计。 立式涡轮分子泵结构示意图立式涡轮分子泵结构示意图 冷凝泵：是一种俘获式泵，主要有两个部件：气态氦压缩机和一个带有冷冻头，缓冲区和机体的泵模块。 其工作原理是：泵模块中的高压氦膨胀时，吸收热量，产生制冷，将来自真空腔的气体冷凝，收集并排除。 冷凝泵

7、需要通过初级泵来去除泵中和真空系统中的空气。6.2 工艺腔内的气流工艺腔内的气流 对工艺腔控制气流最基本的要求有： 1）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； 2）对进入工艺腔的气流的控制要精确且可重复； 3）在工艺进行过程中应当可以控制混合气体的比例； 4）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。一一. 质量流量计（质量流量计（MFC） 化学反应中包含了以分子数目作为重要控制参数的物理过程。根据理想气体定律可知给定容积内气体分子的数目与压力和温度的比值成正比。因此，仅通过容积控制进入腔体的气流无法做到每次都得到相同数目的分子，这是不利于控制化学反应

8、的。二二. 残气分析器（残气分析器（RGA） 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。它可以用来探测泄漏、分析工艺腔内的沾污以及作为故障查询工具来解决腔内本底真空的问题。它最常见的用途是检漏和工艺中的故障查询。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。残气分析器残气分析器组成：原理：6.3 等离子体等离子体 等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体，包含中性原子或分子、带电离子和自由电子。当从中性原子中去除一个价电子时，形成正离子和自由电子。在一个有限的工艺腔内，利用强直流

9、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，因此被广泛应用于硅片制造的各个步骤。裂解原子离子化分子离子化原子激发分子激发*eABABeeAAeeeABABeeeAAeeABABe 假设流进的气体是由原子A和原子B组成的分子AB，在辉光放电中可能出现的过程有以下几种： 等离子体的另一个应用是通过等离子刻蚀选择性地去除金属、多晶硅、氮化硅和其他薄膜。 在工艺腔内存在等离子体的最常见的迹象是被称为辉光放电的特有的可视光。在辉光放电中，高能电子与中性原子或离子相撞并激发它们。维持辉光放电的典型因素包括射频（RF）能量和频率、压力、混合气体和发光率、真空泵泵速以及表面温度。6.4 工艺腔的沾污工艺腔的沾污 在带有真空的工艺腔内，痕量水是最显著的沾污源。由于水在化学反应和真空中会被分解成离子或H2、O2等气体分子，所以它成为真空系统的一个问题所在，它顽强地粘在表面上，清除起来很缓慢而且是反应器中的毒素。在抽真空的过程中由于水颗粒的形成，产生了颗粒沾污。 为了尽量降低工艺腔内吸附的水产生的沾污，需要减少以清洗为