微細加工-10-真空課件

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撞擊單位面積的氣體分子的數目氣體的粘滯系數式中，d代表分子直徑，n

代表單位體積內的分子數。氣體的擴散系數

10.2氣體流動及傳導率氣體流速

Q

通常以“標準升/分鐘”或“標準立方厘米/分鐘”為單位。標準升是指在0oC

和1

atm壓強下1升體積內的氣體量。由于

1

摩爾氣體在標準條件下是

22.4

升，所以

1

標準升是

1/22.4摩爾。氣體傳輸系統的氣體傳導率

C

的定義為式中，p1

和p2

分別為入口和出口處的氣壓。設D

和L

分別是管道的直徑和長度，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葉片泵，也稱為機械泵。單級旋轉葉片泵能達到的真空度約為

20

mTorr，而兩級旋轉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。現在一般采用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。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電源當電壓足夠高，使真空室內的電場高于氣體電離所需的電場時，兩個電極間就會產生高壓電弧，并產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材料，這是因為轟擊陽極介質靶材的電子和轟擊陰極介質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，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，金屬對金屬的密封和