微細加工與MEMS技術-10-真空.ppt

1、第 10 章 真空科學和等離子體,前面討論過的擴散、氧化和光學光刻是在常壓下進行的 ，而離子注入、非光學光刻以及后面要討論的許多工藝如干法刻蝕、物理淀積、化學汽相淀積等則需要在真空室中進行，有的還要涉及到等離子體和輝光放電的理論和技術。,10.1 氣體動力學理論,氣體分子熱運動速度的大小的平均值,氣體分子熱運動速度在三個方向上的分量的大小的平均值,氣體分子熱運動速度的均方值,例如氮氣分子在室溫下的 約為 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)。,氣體的擴散系數(shù)

2、,單位 轉(zhuǎn)換因子 標準大氣壓（atm） 1.333 10-3 帕或牛頓每平方米（Pa） 133.3 磅每平方英寸（PSI） 1.933 10-2 當將 Torr 轉(zhuǎn)換成所列單位時乘以轉(zhuǎn)換因子，將所列單位轉(zhuǎn)換成 Torr 時除以轉(zhuǎn)換因子。,通常用氣體壓強來衡量真空度。在集成電路工藝中經(jīng)常使用的壓強單位是 “托（Torr）”（即毫米汞柱 mmHg），雖然它不是一個標準單位。各種壓強單位及其換算方式為,10.3 壓力范圍和真空泵,初真空 0.1 Torr 750 Torr， 10 Pa 105 Pa 中真空 10-4 Torr 10-1 Torr， 10-2 Pa 10 Pa 高真空 10-8 To

3、rr 10-4 Torr， 10-6 Pa 10-2 Pa 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，也稱為機械泵。單級旋轉(zhuǎn)葉片泵能達到的真空度約為 20 mTorr ，而兩級旋轉(zhuǎn)葉片泵的真空度則能達到 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)移動量給氣體分子而抽吸氣體，如擴散泵和渦輪分子泵，主要用于抽吸腐蝕性氣體和有毒氣體，或

4、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合。,所有的高真空泵都需要低真空泵作為預真空泵。,10.4 真空密封和壓力測量,在初真空和中真空段，通常采用“O”形橡膠圈來進行真空腔體的密封。在高真空和超高真空段，則必須采用金屬對金屬的密封。早期采用類似“O”形橡膠圈的黃金圈?，F(xiàn)在一般采用 Conflat 法蘭，這是一種夾在兩個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。,測量初真空可以使用電容壓力計，測量初真空和中真空可使用熱偶真空計，而測量高真空和超高真空，就必須使用電離真空計。,等離子體是部分電離的氣

5、體。等離子體中的氣體分子受到電子碰撞后會發(fā)生激發(fā)和離化，等離子體中除了含有帶電的自由電子和離子外，還含有大量處于激發(fā)態(tài)的、不穩(wěn)定的、化學性質(zhì)十分活潑的中性分子或原子，稱為 游離基（或 自由基）。當原子被中等能量的電子碰撞后，其內(nèi)層電子將被激發(fā)到高能狀態(tài)而成為游離基。游離基的壽命極短，當電子返回基態(tài)時，將發(fā)射出可見光，這就是 輝光放電。,10.5 直流輝光放電,當原子被大于約 15 eV 能量的電子碰撞時，發(fā)生的將是電離而不是激發(fā)，這時就不會產(chǎn)生輝光放電。,典型條件：氣壓 1 Torr，電極間距 10 cm 時電壓約 800V，電極間距 5 cm 時電壓約 500V。,工作氣體,真空室,泵,直流

6、電源,當電壓足夠高，使真空室內(nèi)的電場高于氣體電離所需的電場時，兩個電極間就會產(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 ，這是因為轟擊陽極介質(zhì)靶材的電子和轟擊陰極介質(zhì)靶材的離子的電荷無法泄放，使陽極電位不斷降低，陰極電位不斷升高 ，兩極之間的電場不斷下降，最終使等離子體消失。,為了解決這個問題，可以采用射頻電壓來產(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

7、源,隔直流電容,陽極,Vb,Va,直流偏壓,直流電位,暗區(qū),亮區(qū),（等離子區(qū)）,陰極,陽極,Z,陰極,射頻電源,陽極,亮區(qū),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作用。為了提高工藝效率，希望提高等離子體的密度。對等離子體施加額外的交變電場與交變磁場，使自由電子的運動路徑復雜化，可以急劇增加電子的運動距離和碰撞次數(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,陰極,陽極,，方向為垂直穿出屏幕,2、垂直磁場,陰極,陽極,，方向為垂直向下,10.8 小結,本章論述了將作為后續(xù)章節(jié)基礎的科學原理和技術，主要包括 真空技術 和 等離子體技術 兩部分內(nèi)容。,給出了氣體分子動力學的一系列公式。介紹了關于真空的基本知識，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；高真空通常擴散泵、渦輪分子泵、吸附泵、鈦升華泵或濺射離子泵，金屬對