微細(xì)加工-10-真空課件

第

10

章真空科學(xué)和等離子體前面討論過(guò)的擴(kuò)散、氧化和光學(xué)光刻是在常壓下進(jìn)行的

，而離子注入、非光學(xué)光刻以及后面要討論的許多工藝如干法刻蝕、物理淀積、化學(xué)汽相淀積等則需要在真空室中進(jìn)行，有的還要涉及到等離子體和輝光放電的理論和技術(shù)。

10.1氣體動(dòng)力學(xué)理論氣體分子熱運(yùn)動(dòng)速度的大小的平均值氣體分子熱運(yùn)動(dòng)速度在三個(gè)方向上的分量的大小的平均值氣體分子熱運(yùn)動(dòng)速度的均方值例如氮?dú)夥肿釉谑覝叵碌募s為

240

m/s。氣體分子在兩次碰撞之間的平均距離，即

平均自由程單位時(shí)間內(nèi)撞擊單位面積的氣體分子的數(shù)目氣體的粘滯系數(shù)式中，d代表分子直徑，n

代表單位體積內(nèi)的分子數(shù)。氣體的擴(kuò)散系數(shù)

10.2氣體流動(dòng)及傳導(dǎo)率氣體流速

Q

通常以“標(biāo)準(zhǔn)升/分鐘”或“標(biāo)準(zhǔn)立方厘米/分鐘”為單位。標(biāo)準(zhǔn)升是指在0oC

和1

atm壓強(qiáng)下1升體積內(nèi)的氣體量。由于

1

摩爾氣體在標(biāo)準(zhǔn)條件下是

22.4

升，所以

1

標(biāo)準(zhǔn)升是

1/22.4摩爾。氣體傳輸系統(tǒng)的氣體傳導(dǎo)率

C

的定義為式中，p1

和p2

分別為入口和出口處的氣壓。設(shè)D

和L

分別是管道的直徑和長(zhǎng)度，pav

是平均氣壓，則

10.3壓力范圍和真空泵

初真空0.1

Torr~760

Torr，10

Pa~105Pa

中真空10-4

Torr~10-1

Torr，10-2

Pa~10

Pa

高真空10-8

Torr~10-4

Torr，10-6

Pa~10-2Pa

超高真空

<10-8

Torr，<10-6

Pa集成電路制造工藝中使用的很多設(shè)備，一般工作在初真空或中真空。但是為了得到潔凈的真空室，通常要先抽到高真空或超高真空，然后再通入工作氣體。有少數(shù)設(shè)備如分子束外延則需要高真空甚至超高真空。集成電路制造中使用的初真空泵一般采用旋轉(zhuǎn)葉片泵，也稱為機(jī)械泵。單級(jí)旋轉(zhuǎn)葉片泵能達(dá)到的真空度約為

20

mTorr，而兩級(jí)旋轉(zhuǎn)葉片泵的真空度則能達(dá)到1

mTorr。集成電路制造中使用的高真空泵可分為兩大類：一類是轉(zhuǎn)移動(dòng)量給氣體分子而抽吸氣體，如擴(kuò)散泵和渦輪分子泵，主要用于抽吸腐蝕性氣體和有毒氣體，或抽吸大流量氣體。另一類是俘獲氣體分子，如吸附泵、鈦升華泵和濺射離子泵，主要用于抽吸小流量氣體，或在需要極高潔凈度的場(chǎng)合。所有的高真空泵都需要低真空泵作為預(yù)真空泵。

10.4真空密封和壓力測(cè)量在初真空和中真空段，通常采用“O”形橡膠圈來(lái)進(jìn)行真空腔體的密封。在高真空和超高真空段，則必須采用金屬對(duì)金屬的密封。早期采用類似“O”形橡膠圈的黃金圈。現(xiàn)在一般采用Conflat

法蘭，這是一種夾在兩個(gè)刀口之間的扁平柔軟

2

mm厚的金屬環(huán)，通常用銅或銅銀合金制成。測(cè)量初真空可以使用電容壓力計(jì)，測(cè)量初真空和中真空可使用熱偶真空計(jì)，而測(cè)量高真空和超高真空，就必須使用電離真空計(jì)。典型條件：氣壓1

Torr，電極間距

10

cm

時(shí)電壓約

800V，電極間距

5

cm

時(shí)電壓約

500V。工作氣體真空室泵直流電源當(dāng)電壓足夠高，使真空室內(nèi)的電場(chǎng)高于氣體電離所需的電場(chǎng)時(shí)，兩個(gè)電極間就會(huì)產(chǎn)生高壓電弧，并產(chǎn)生大量自由電子和離子。電子移向陽(yáng)極，離子移向陰極。離子與陰極的碰撞產(chǎn)生大量二次電子，這些二次電子在電場(chǎng)中加速以及與原子的碰撞維持了等離子體與輝光放電。+-

10.6射頻放電直流輝光放電法只能用于金屬電極而不能用于介質(zhì)材料，這是因?yàn)檗Z擊陽(yáng)極介質(zhì)靶材的電子和轟擊陰極介質(zhì)靶材的離子的電荷無(wú)法泄放，使陽(yáng)極電位不斷降低，陰極電位不斷升高，兩極之間的電場(chǎng)不斷下降，最終使等離子體消失。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用射頻電壓來(lái)產(chǎn)生等離子體，所用的射頻頻率為

13.56

MHz。工作氣體陰極泵射頻電源隔直流電容陽(yáng)極~VbVa

10.7高密度等離子體在集成電路制造工藝中，常常利用等離子體中離子轟擊的物理作用和游離基的化學(xué)作用。為了提高工藝效率，希望提高等離子體的密度。對(duì)等離子體施加額外的交變電場(chǎng)與交變磁場(chǎng)，使自由電子的運(yùn)動(dòng)路徑復(fù)雜化，可以急劇增加電子的運(yùn)動(dòng)距離和碰撞次數(shù)，從而在相同或者更低的氣壓與功率下增加離化率，提高等離子體的密度。

常用的高密度等離子體有電子回旋共振等離子體（ECR）和電感耦合等離子體（ICP）等。

1、平行磁場(chǎng)陰極陽(yáng)極，方向?yàn)榇怪贝┏銎聊?/p>

2、垂直磁場(chǎng)陰極陽(yáng)極，方向?yàn)榇怪毕蛳?/p>

10.8小結(jié)

本章論述了將作為后續(xù)章節(jié)基礎(chǔ)的科學(xué)原理和技術(shù)，主要包括

真空技術(shù)

和

等離子體技術(shù)

兩部分內(nèi)容。給出了氣體分子動(dòng)力學(xué)的一系列公式。介紹了關(guān)于真空的基本知識(shí)，初、中真空使用旋轉(zhuǎn)葉片泵、“O”形橡膠密封圈和熱偶真空計(jì)；高真空通常擴(kuò)散泵、渦輪分子泵、吸附泵、鈦升華泵或?yàn)R射離子泵，金屬對(duì)金屬的密封和