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文档简介
7.3等离子体系统7.4等离子体工艺7.5本章小结2023-05-271第7章等离子体工艺本章主要内容7.1等离子体基本概念7.2等离子体参数7.1等离子体基本概念2本节主要内容何为等离子体等离子体的用途等离子体的产生何为等离子体—定义3What
Is
Plasma?(什么是等离子体)
A
plasma(等离子体)is
a
ionized
gas(离化的气体)
with
equal
numbers
of
positive
and
negative
charges
A
more
precise
definition(更准确的定义):a
plasmais
a
quasi-neutral
gas(准中性的气体)of
charged(带电的)and
neutral(中性的)particles
which
exhibitscollective
behavior(集体行为).何为等离子体—成分4A
plasma(等离子体)consists
of
neutral(中性的)
atoms(原子)or
molecules(分子),negative
charges(electrons)and
positive
charges(ions)Quasi-neutral(准中性):ni
≈
neIonization
rate(离化率):ne/(ne
+nn)IonizationRate(离化率)
Ionization
rate(离化率)is
mainly
determined(决定)
electron
energy
in
plasma(等离子体)5Plasma
processing
chambers(等离子体工艺反应室),thionization
rate(离化率)is
less
than
0.001%.
Plasma
etching
chambers(等离子体刻蚀反应室),theionization
rate(离化率)is
about
0.01%.
High
density
plasma(e.g.,ICP感应耦合等离子体,ECR电子回旋共振),the
ionization
rate
is
about
1%~
5%.何为等离子体—离化率等离子体的用途6Applications
of
Plasma(等离子体用途)CVD(化学气相淀积)Etch(刻蚀)PVD(物理气相淀积)Ion
Implantation(离子注入)Photoresist
strip(剥离光刻胶)
Process
chamber
dry
clean(工艺反应室干式清洗)Collision(碰撞)Ionization(离化)Excitation-Relaxation(激发—松弛)Dissociation(分解)……7等离子体的产生—碰撞Ionization(离化)
Electron
collides(碰撞)with
neutral(中性的)atom(原子)or
molecule(分子)Knock
out(击出)one
of
orbital
electron(轨道电子)等离子体的产生—离化8Ionization(离化)等离子体的产生—离化(自由电子)9(轨道电子)(自由电子)(原子核)(原子核)Excitation-Relaxation(激发—松弛)
Different
atoms(原子)or
molecules(分子)havedifference
frequencies(频率),that
is
why
differengases
have
different
glow(发光)colors.
The
change
of
the
glow(发光)colors
is
used
foretch
and
chamber
clean
process
endpoint(终结点).等离子体的产生—激发松弛10(原子核)11(原子核)(碰撞电子)Excitation
Collision(激发碰撞)(碰撞电子)(基态电子)(激发态电子)等离子体的产生—激发松弛12(基态)Relaxation(松弛)(普朗克常数)(激发态)可见光UV等离子体的产生—激发松弛等离子体的产生—分解Dissociation(分解)
Electron
collides(碰撞)with
a
molecule(分子),itcan
break
the
chemical
bond(化学键)and
generatefree
radicals(自由基):Increasing
chemical
reaction
rate(化学反应速率)Very
important
for
both
etch
and
CVD13等离子体的产生—分解(分子)14Dissociation(分解)(自由基)Plasma
Etch(等离子体刻蚀)
CF4
is
used
in
plasma(等离子体)to
generate(产生)
fluorine
free
radical(F自由基)for
oxide
etch(刻蚀)等离子体的产生—分解15Plasma
Enhanced
CVD(等离子体增强CVD)PECVD
with
SiH4
and
N2O(笑气)PECVD
can
achieve(获得)high
deposition
rate(淀积速率)at
relatively(相对)lower
temperature.等离子体的产生—分解16等离子体的产生—分解177.3等离子体系统7.4等离子体工艺7.5本章小结2023-05-2718第7章等离子体工艺本章主要内容7.1等离子体基本概念7.2等离子体参数7.2等离子体参数19本节主要内容平均自由程热速度磁场中的带电粒子玻尔兹曼分布平均自由程Mean
Free
Path
(MFP)
The
average
distance(平均距离)a
particle(粒子)cantravel
before
colliding(碰撞)with
another
particlen
is
the
density
of
the
particle(粒子浓度)
s
is
the
collision
cross-section
of
the
particle(粒截面)20平均自由程Exercise
分子直径为4Å,密度为5×1016
cm-3,请计算分子的平均自由程。MFP
=
1/[1.414×5×1016
×p(2×10-8)2]
=
0.011
cm2122平均自由程MFP
Illustration(MFP介绍)高压情形低压情形Question(问题)
Q:Why
does
one
need
a
vacuum
chamber(真空反应室)to
generate(产生)a
stable(稳定的)plasma?
A:在标准大气压下(760
Torr),电子的平均自由程很短,因此电子很难获得足够的能量离化气
体分子。而当电场很强时,等离子体将形成弧
光放电,而不是稳定的辉光放电。23平均自由程热速度Electron(电子)is
much
lighter(更轻)than
ion(离子
Electric
forces(电场力)on
electrons
and
ions(离子the
sameElectron
has
much
higher
acceleration(加速度)24Movement
of
Charged
Particle(带电粒子)RF(射频)electric
field(电场)varies(变化)quickl25electrons
are
accelerated(加速)very
quickly
whileions(离子)react(反应)slowly.
Ions(离子)have
more
collisions(碰撞)due
to
theirlarger
cross-section(横截面)that
further(进一步)
slowing
them
down(降低它们的速度)Electrons
move(移动)much
faster
than
ions(离子)
in
plasma(等离子体)热速度热速度Thermal
Velocity(热速度)Electron
thermal
velocity(电子热速度)*
k:波尔兹曼常数RF
plasma(射频等离子体),kTe
is
about
2
eV*
mph,
miles
per
hour;
1
mph
=
4.4704
cm/s26Magnetic
Force
and
Gyro-motion(磁场力和螺旋运动)Magnetic
force(磁场力)on
a
charged
particle(带电粒
Magnetic
force(磁场力)is
always
perpendicular(垂直the
particle
velocity(粒子速度)
Charged
particle(带电粒子)will
spiral
around(螺旋围the
magnetic
field
line(磁力线),Gyro-motion(螺旋运磁场中的带电粒子27Gyro-motion(螺旋运动)磁场中的带电粒子28参数电子氩离子热速度v
(cm/s)5.93×1073.46×104螺旋转动半径r
(cm)at
B
=100
G=0.01
T0.0341.44Gyrofrequency(螺旋转动频率)磁场中的带电粒子Gyro
radius(螺旋转动半径)29玻尔兹曼分布307.3等离子体系统7.4等离子体工艺7.5本章小结2023-05-2731第7章等离子体工艺本章主要内容7.1等离子体基本概念7.2等离子体参数7.3等离子体系统32本节主要内容离子轰击直流偏压离子轰击33Ion
Bombardment(离子轰击)
Electrons
reach(到达)electrodes(电极)andchamber
wall(反应室墙壁)first
Electrodes(电极)charged
negatively(带负电),
repel(排斥)electrons
and
attract
ions(吸引离子).
The
sheath
potential(鞘层电势)accelerates(加速)itowards
the
electrode(电极)and
causes(引起)ionbombardment(离子轰击)Very
important
for
sputtering(溅射),etch
and
PECVD34离子轰击Sheath
Potential(鞘层电势)(暗区)(鞘层电势)(体内等离子体)(鞘层区)Applications
of
Ion
bombardment(离子轰击的应用)Help
control
film
stress(膜应力)in
PECVD
processesHelp
to
achieve(获得)anisotropic(各向异性)etch
prArgon
sputtering(氩离子溅射)35离子轰击直流偏压36Plasma
Potential
&
DC
Bias(等离子体电势和直流偏压)DC
biases
and
RF
powers(直流偏压和射频功率)(等离子体电势)37Lower
RF
powerSmaller
DC
biasHigher
RF
powerLarger
DC
bias直流偏压38直流偏压(暗区或鞘层区)DC
Bias
of
CVD
Chamber
Plasma(CVD反应室等离子体的直流偏压)(地)(射频热电极)DC
Bias
of
Etch
Chamber
Plasma(刻蚀反应室等离子体的直流偏压)直流偏压39DC
Bias
of
Etch
Chamber
Plasma(刻蚀反应室等离子体的直流偏压)直流偏压407.3等离子体系统7.4等离子体工艺7.5本章小结2023-05-2741第7章等离子体工艺本章主要内容7.1等离子体基本概念7.2等离子体参数7.4等离子工艺42本节主要内容等离子体工艺的优点PECVD与等离子体刻蚀遥控等离子体工艺高密度等离子体工艺等离子体工艺的优点43Plasma
processes(等离子体工艺):PECVD(等离子体增强化学气相淀积)CVD
chamber
dry
clean(CVD反应室干法清洗)Plasma
Etch(等离子体刻蚀)PVD(物理汽相淀积)Ion
implantation(离子注入)Benefits
of
Using
Plasma
For
CVD
Process(CVD工艺使用等离子体的优点)
High
deposition
rate(淀积速率)at
relatively(相对
lower
temperatureIndependent
film
stress
control(控制薄膜应力)Chamber
dry
clean(反应室干法清洗)44等离子体工艺的优点—CVDComparison(比较)of
PECVD
and
LPCVD等离子体工艺的优点—CVD4546Gap
Fill(间隙填充)
by
HDP-CVD等离子体工艺的优点—CVD0.25
mm,深宽比=4:147Benefits
of
Using
Plasma
For
Etch
Process(刻蚀工艺使用等离子体的优点)High
etch
rate(刻蚀速率)Anisotropic(各向异性)etch
profile(形状)Optical
endpoint(光学终点监测)Less
chemical(化学制品)usage
and
disposal(处理)等离子体工艺的优点—刻蚀Benefits
of
Using
Plasma
For
PVD
Process(物理汽相淀积使用等离子体的优点)Argon
sputtering(氩离子溅射)Higher
film
quality(膜质量)—Less
impurity(杂质)and
higher
conductivityBetter
uniformity(均匀性)Better
process
control(工艺控制)Higher
process
integration(工艺兼容)capabilityEasier
to
deposit
metal
alloy
films(合金薄膜)48等离子体工艺的优点—PVD49PECVD与等离子体刻蚀PECVD
and
Plasma
Etch
Chambers(PECVD和等离子体刻蚀反应室)CVD:Adding
materials(添加材料)on
wafer
surfaceFree
radicals(自由基)Some
bombardment(轰击)for
stress(应力)controlEtch:Removing(去除)materials
from
wafer
surfaceFree
radicals(自由基)Heavy
bombardment(轰击)Prefer
low
pressure(低压),better
directionalityof
ions50PECVD与等离子体刻蚀Schematic
of
a
PECVD
ChamberElectrodes(电极)have
about
the
same
area(相同面积The
ion
bombardment(轰击)energy
is
about
10
to
20
eV51PECVD与等离子体刻蚀Schematic
of
an
Etch
Chamber(工艺气体)(磁场线圈)(真空泵抽走副产物)(氦气冷却晶圆背面)Plasma
Etch
ChambersIon
bombardment
energy(离子轰击能量)on
wafer
(RF
hot
electrode):
200
to
1000
eVon
lid(盖子)(ground
electrode):10
to
20
eV.Ion
bombardment(离子轰击)Physically
dislodge(物理移除)break
chemical
bonds(打破化学键)Heat
generation(热产生)Need
to
protect
masking
PR(掩膜光刻胶)Helium(氦气)backside
cooling
required52PECVD与等离子体刻蚀Plasma
Etch
ChambersEtch
prefer
lower
pressure(低压)longer
MFP(平均自由程)more
ion
energy(能量)and
less
scattering(散射)Low
pressure,less
ionization
collision(碰撞)hard
to
generate
and
sustain
plasma
Magnets(磁体)are
used
to
force(促使)electron
sp(电子自旋)and
travel
longer
distance
to
increasecollisions(碰撞)53PECVD与等离子体刻蚀遥控等离子体工艺—Plasma
Clean(等离子体清洗)54Remote
Plasma
Processes(遥控等离子体工艺Need
free
radicals(自由基)Enhance
chemical
reactions(增强化学反应)Don’t
want
ion
bombardment(离子轰击)Avoid
plasma-induced
damage(损伤)Remote
plasma
systems(遥控等离子体系统)Photoresist
Strip(剥离光刻胶)Plasma
Etch(等离子体刻蚀)55遥控等离子体工艺—剥离光刻胶(有光刻胶的晶圆)(加热平板)Photoresist
Strip
Process(剥离光刻胶工(微波)(远端等离子反应室)Remote
Plasma
Etch(遥控等离子体刻蚀)Isotropic
etch
processes(各项同性刻蚀工艺):LOCOS
or
STI
nitride
strip(剥离氮化物)wineglass
contact
hole
etch(酒杯状接触孔刻蚀)Part
of
efforts
to
replace(取代)wet
process(湿法工56遥控等离子体工艺—等离子体刻蚀遥控等离子体工艺—等离子体清洗Remote
Plasma
Clean(遥控等离子体清洗)(微波)(远端等离子反应室)57(加热平板)Remote
Plasma
CVD
(RPCVD)Epitaxial(外延)Si,GeDielectric(介质):SiO2,SiON,and
Si3N4High-k
dielectrics:
HfO2,
TiO2,
and
Ta2O5PMD(金属淀积前介质)barrier
nitrideLPCVD:budget
limitations(热预算限制)PECVD:plasma
induced
damage(损伤)58遥控等离子体工艺—等离子体CVDHigh-density
Plasma(高密度等离子体)
Etch
and
CVD
desire(需要)high-density
plasma
atlow
pressure(低压下高密度等离子体)
Lower
pressure(低压),less
ion
scattering(散射),
enhances(增强)etch
profile(刻蚀轮廓)controlHigher
density,more
ions
and
free
radicals(自由基)Enhance
chemical
reaction(化学反应)Increase
ion
bombardment(离子轰击)CVD
processes,dep/etch/dep
enhance
gap
fill(填空隙59高密度等离子体工艺Limitation
of
Parallel
Plate
Pla
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