第6章真空科學(xué)與等離子體

1、第六章第六章 真空科學(xué)與等離子體真空科學(xué)與等離子體 硅片處理工藝通常是在工藝腔里發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。所謂工藝腔是指一個受控的真空環(huán)境，使得化學(xué)反應(yīng)能夠在受控條件下進(jìn)行。因此工藝腔也被稱為反應(yīng)室。引言引言 工藝腔有眾多功能： 1）控制氣態(tài)化學(xué)品的流入，并在盡量靠近硅片的地方發(fā)生反應(yīng)； 2）在真空環(huán)境中保持預(yù)定的壓強； 3）去除不需要的水汽、空氣和附加反應(yīng)； 4）創(chuàng)建一個能夠使化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的環(huán)境； 硅片制造中的許多化學(xué)反應(yīng)都是在真空條件下進(jìn)行的。采用真空的益處見表6.1。6.1 真空真空 (Vacuum)一一. 真空范圍真空范圍 真空可分為低級真空(759100托)、中級真空(10010-3托)、高級真

2、空(10-310-6托)以及超高級真空(UHV) (10-610-9托)。 地球外層空間的真空大概是10-16托 SEM的工作腔大概是10-410-5托 離子濺射氣氛大概是0.10.01托 1托(torr)1mm毫米汞柱133.28 Pa 低級真空有兩個重要的特征：氣流主要是由分子間碰撞產(chǎn)生的；壓強高得足以用機械型壓力測量儀測量。低級真空通常用于包含以下條件的制造工藝：依靠氣相化學(xué)反應(yīng)、分子間的動能傳輸以及氣體與界面間的快速相互作用。 中級真空是低級和高級真空之間的過渡階段。高級真空的定義是氣體分子之間很少有碰撞。這種條件導(dǎo)致非常潔凈的硅片表面。超高級真空是高級真空的延伸，通過對真空腔的設(shè)計和

3、材料的嚴(yán)格控制盡量減少不需要的氣體成分。 根據(jù)氣體動力學(xué)理論，把氣體分子作為硬球體看待，那么其速度的概率分布可由Maxwell的速度分布得出。對于一種簡單的單一氣體，其分子的速度分布概率由下式給出： 式中，m是分子質(zhì)量，k是玻爾茲曼常數(shù)，v是速率的大小，T是用開爾文表示的溫度，速率或者速度的大小的平均值由下式給出：23/22/2( )42mvkTmp vv ekT速度在任一方向上的分量的平均值由下式給出：均方根速度由下式給出： 常壓下，氣體改變速度的主要機制之一是氣態(tài)分子的相互碰撞?？紤]在氣體中，一個直徑為d的分子隨機運動，如果另一個同類型的分子，處在第一個原子運動路徑的距離d之內(nèi)，就會發(fā)生碰

4、撞。那么在簡單的硬球體近似假設(shè)下，分子具有 的碰撞界面，是單個分子實際碰撞截面的4倍。在距離l內(nèi)，發(fā)生碰撞的概率由下式給出： 式中，n是每單位體積的氣體分子數(shù)，對于像N2和O2這樣的雙原子分子，d一般取作3A，如果我們設(shè) ，則兩次碰撞間的平均距離，通常叫做平均自由程，可以近似為2d2Pl d n1p 21d n212 d n22kTd p更為嚴(yán)格的統(tǒng)計學(xué)處理將給出因為n通常是未知的，只能通過狀態(tài)方程計算得出。理想氣體定律：是用得最多的。其中p是腔體的壓力，代入方程：NpnVkT 通量密度可定義為單位時間通過單位面積的凈分子流量。Jn同樣能被定義為單位時間轟擊單位面積表面的分子數(shù)目。由下式給出：

5、22222xnnvn kTpJnkTm二二. 平均自由程平均自由程 一個運動的氣體分子在撞上另一個分子之前運動的平均距離叫做平均自由平均自由程。程。當(dāng)真空里的壓強降低時，氣體分子間的空間加大了，這成為氣體流過系統(tǒng)及在工藝腔內(nèi)產(chǎn)生等離子體的重要因素?？諝庠诓煌瑝簭姺秶蜆?biāo)準(zhǔn)溫度下的平均自由程參見表6.2。 表表6.2 6.2 平均自由程和分子密度與壓力的關(guān)系平均自由程和分子密度與壓力的關(guān)系三. 真空泵真空泵 在半導(dǎo)體制造業(yè)中有很多種不同的真空泵。分為初級和高級真空泵。常見的初級泵有干性機械泵和增壓/調(diào)壓泵。高級真空泵用來獲得高級和超高級真空。常見的高級泵有加速分子泵和冷凝泵。初級泵初級泵 初級泵

6、有幾種用途：在腔內(nèi)創(chuàng)造近似中級真空；清空多腔集成設(shè)備中接收硅片的區(qū)域；為高級真空泵抽氣。 初級泵可以去除99.99的原始空氣或其他成分。高真空泵高真空泵 用來獲得壓力范圍在10-3到10-9托的高級和超高級真空。 常見的高級真空泵有：加速分子泵和冷凝泵。 加速分子泵（渦輪泵）：運作機理是機械化的壓縮，同時運用磁懸浮軸承來避免使用潤滑劑和特殊防震設(shè)計。 立式渦輪分子泵結(jié)構(gòu)示意圖立式渦輪分子泵結(jié)構(gòu)示意圖 冷凝泵：是一種俘獲式泵，主要有兩個部件：氣態(tài)氦壓縮機和一個帶有冷凍頭，緩沖區(qū)和機體的泵模塊。 其工作原理是：泵模塊中的高壓氦膨脹時，吸收熱量，產(chǎn)生制冷，將來自真空腔的氣體冷凝，收集并排除。 冷凝泵

7、需要通過初級泵來去除泵中和真空系統(tǒng)中的空氣。6.2 工藝腔內(nèi)的氣流工藝腔內(nèi)的氣流 對工藝腔控制氣流最基本的要求有： 1）具備控制各種通用和特種氣體的能力，包括很多腐蝕性或有毒的氣體； 2）對進(jìn)入工藝腔的氣流的控制要精確且可重復(fù)； 3）在工藝進(jìn)行過程中應(yīng)當(dāng)可以控制混合氣體的比例； 4）腔體中的材料既不能受工藝氣體的影響，也不能在氣流中產(chǎn)生沾污。一一. 質(zhì)量流量計（質(zhì)量流量計（MFC） 化學(xué)反應(yīng)中包含了以分子數(shù)目作為重要控制參數(shù)的物理過程。根據(jù)理想氣體定律可知給定容積內(nèi)氣體分子的數(shù)目與壓力和溫度的比值成正比。因此，僅通過容積控制進(jìn)入腔體的氣流無法做到每次都得到相同數(shù)目的分子，這是不利于控制化學(xué)反應(yīng)

8、的。二二. 殘氣分析器（殘氣分析器（RGA） RGA是工藝腔設(shè)備的重要部分，用來檢驗殘留在已清空系統(tǒng)中的氣體分子的類型。它可以用來探測泄漏、分析工藝腔內(nèi)的沾污以及作為故障查詢工具來解決腔內(nèi)本底真空的問題。它最常見的用途是檢漏和工藝中的故障查詢。RGA的原理就是隔離、鑒別和測量腔中所有的氣體分子。RGA可以測量真空系統(tǒng)中每種氣體成分的局部壓力分布，以及所有氣體分子的總壓力。殘氣分析器殘氣分析器組成：原理：6.3 等離子體等離子體 等離子體是一種中性、高能量、離子化的氣體，包含中性原子或分子、帶電離子和自由電子。當(dāng)從中性原子中去除一個價電子時，形成正離子和自由電子。在一個有限的工藝腔內(nèi)，利用強直流

9、或交流電磁場或是用某些電子源轟擊氣體原子都會導(dǎo)致氣體原子的離子化。等離子體可以提供發(fā)生在硅片表面的氣體反應(yīng)所需的大部分能量，因此被廣泛應(yīng)用于硅片制造的各個步驟。裂解原子離子化分子離子化原子激發(fā)分子激發(fā)*eABABeeAAeeeABABeeeAAeeABABe 假設(shè)流進(jìn)的氣體是由原子A和原子B組成的分子AB，在輝光放電中可能出現(xiàn)的過程有以下幾種： 等離子體的另一個應(yīng)用是通過等離子刻蝕選擇性地去除金屬、多晶硅、氮化硅和其他薄膜。 在工藝腔內(nèi)存在等離子體的最常見的跡象是被稱為輝光放電的特有的可視光。在輝光放電中，高能電子與中性原子或離子相撞并激發(fā)它們。維持輝光放電的典型因素包括射頻（RF）能量和頻率、壓力、混合氣體和發(fā)光率、真空泵泵速以及表面溫度。6.4 工藝腔的沾污工藝腔的沾污 在帶有真空的工藝腔內(nèi)，痕量水是最顯著的沾污源。由于水在化學(xué)反應(yīng)和真空中會被分解成離子或H2、O2等氣體分子，所以它成為真空系統(tǒng)的一個問題所在，它頑強地粘在表面上，清除起來很緩慢而且是反應(yīng)器中的毒素。在抽真空的過程中由于水顆粒的形成，產(chǎn)生了顆粒沾污。 為了盡量降低工藝腔內(nèi)吸附的水產(chǎn)生的沾污，需要減少以清洗為