第四章等離子體技術(shù)基礎(chǔ)()

第四章：等離子體技術(shù)基礎(chǔ)FundamentalPlasmaPhysics什么是等離子體?等離子就是部分被電離的氣體，它是由自由運動并相互作用的正離子和電子組成的混合物。但由于在等離子體氣體中，電子的電量是等于正離子的電量，所以在總體上等離子體氣體顯示電中性。它包括了帶電的粒子和基團，如e-,X+,XY+;還有就是受激的粒子和基團，如X*,XY*。等離子體的應(yīng)用反應(yīng)離子刻蝕：RIE、ICP薄膜沉積：等離子體增強化學(xué)氣相沉積(PECVD)微波增強化學(xué)氣相沉積(MPECVD)在等離子體氣體中，以電子碰撞雙原子分子XY為例，若碰撞能量小，則會發(fā)生彈性碰撞，電子的動能不會改變。若碰撞能量很高，分子中繞核運動的低能電子，就會在碰撞中獲得足夠的能量，被激發(fā)至離核較遠的高能級軌道上運動。我們把這種高能級狀態(tài)的分子稱為激發(fā)態(tài)分子，用XY*表示。激發(fā)態(tài)分子中的電子從高能級跳回到低能級時，便以發(fā)光的形式發(fā)出多余能量(輝光放電)，這個過程稱為“退激”。等離子體的產(chǎn)生若碰撞電子能量足夠高，電子吸收的能量就可以使其脫離核的束縛而成為自由電子，也就是分子發(fā)生了“電離”，用XY+表示。電子對分子XY的碰撞也可以使之分解成為X原子和Y原子（離解/裂解）。用“：”表示分子中成鍵的電子對，離解過程可以表示為X:YX+Y。這樣帶有未成對電子的X，Y就容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，故稱為化學(xué)活性或基團。等離子體特性等離子體的基本反應(yīng)過程等離子體特性應(yīng)用激發(fā)：

XY+eXY*+e

退激:XY*XY＋hv（光子）離解：XY+eX+Y+e電離：XY+eXY++2eX++Y+2e電子和離子在電場中受加速粒子間的碰撞產(chǎn)生熱效應(yīng)、粒子和固體表面的碰撞發(fā)光特性<光學(xué)應(yīng)用>化學(xué)活性<化學(xué)應(yīng)用>導(dǎo)電性<電氣應(yīng)用>高速粒子<力學(xué)應(yīng)用>

產(chǎn)生高溫<熱學(xué)應(yīng)用>直流輝光放電±LVP高壓電源直流電源氣體進氣口上圖所示的是一個簡單的等離子體反應(yīng)室，兩個平行的平板包含在一個真空系統(tǒng)中，通過傳入真空的功率饋線與直流電源相連，一個高電壓源(通常情況下是一個充電電容器)在開始的瞬間被連接到電路中來產(chǎn)生等離子體，電感保護直流電源不受高壓電弧影響。pump氣體壓強為1torr時，對于間距為10cm的電極電壓需達到800V才能產(chǎn)生輝光放電，而對于間距為5cm的電極電壓則只需達到500V就能產(chǎn)生輝光放電。在電弧被激發(fā)前，氣體作為絕緣體而不會有電流產(chǎn)生。如果電壓足夠高，反應(yīng)腔內(nèi)的電場高于氣體裂解所需要的電場，在兩個電極間就會產(chǎn)生高壓電弧，這個電弧會產(chǎn)生大量的離子和自由電子。由于腔內(nèi)電場的作用，電子被加速移向正的陽極，同時離子被加速移向負的陰極。離子穿越放電區(qū)并最終打在陰極上。當它們打在陰極上時，就會從陰極的材料中釋放出大量的二次電子，這些電子向相反方向加速沖向陽極，如果加在電極之間的電壓足夠大，這些高能量電子與中性原子的非彈性碰撞將產(chǎn)生更多的離子，這個二次電子的釋放和離子的產(chǎn)生過程維持了等離子體。等離子體的形成產(chǎn)生電弧形成離子和自由電子電子加速打向陰極在陰極上形成大量二次電子二次電子與中性原子非彈性碰撞等離子體的形成過程陰極陽極-+000ξρρ正電荷負電荷電場等離子體中，電荷密度和電場與電極間位置的關(guān)系陰極陽極-+Crooke暗區(qū)PositivecolumeFaraday暗區(qū)Anode暗區(qū)只有中等能量的電子（不大于15eV）在退激過程中可以發(fā)出可見光，包含此類電子較少的區(qū)域就叫做暗區(qū)。在陰極附近區(qū)域的大多數(shù)電子具有非常低的能量，被稱為Crooke

暗區(qū)。陽極是電子的吸附器，因此陽極附近電子的密度非常小，沒有可觀的發(fā)射，這個暗區(qū)稱為Anode暗區(qū)。在陰極與陽極之間也存在一個區(qū)域，那里電子被加速到非常高的能量，導(dǎo)致電離，只有極少電子具有適合發(fā)光的能量，這個區(qū)域稱為Faraday暗區(qū)。在微納加工中常用的等離子體設(shè)備中，主要利用的是Crooke暗區(qū)的大電場。漂移和擴散到這個區(qū)域邊緣的離子被加速而快速移向陰極，這樣可以利用離子轟擊放置在陰極上的硅片或其它樣品，實現(xiàn)不同的處理工藝。

Crooke

暗區(qū)的寬度取決于反應(yīng)真空腔室的壓力，在低壓狀態(tài)下，電子的平均自由程增加，暗區(qū)寬度也增大。通過控制腔室的壓力，就能控制離子轟擊表面的能力。通常，直流等離子體系統(tǒng)的腔室壓力要大于1mTorr。射頻放電在實際應(yīng)用中，等離子體設(shè)備中的某一電極的材料是絕緣的，例如，光刻膠和氧化層都是絕緣體，當離子轟擊其表面時，會激發(fā)二次電子。結(jié)果導(dǎo)致上述絕緣層表面存在電荷積累，使Crooker暗區(qū)中的電場減小。為解決上述問題，必須采用交流信號來驅(qū)動。業(yè)界采用頻率為13.56MHz的射頻(RadiationFrequency,RF)電源為驅(qū)動電源，該頻率是美國通信委員會單獨留給此項應(yīng)用。電容耦合等離子體~RF電源隔直流電容Plasma接地電極A高頻電極B在射頻等離子體系統(tǒng)中，由于射頻交變頻率為13.56Hz，在此頻率下，離子的運動跟不上電壓的變化，相反，電子可以被加速。結(jié)果：電子交替撞擊上下電極表面，相對于等離子體，在兩端產(chǎn)生凈的負電荷。在這種情況下，每個電極附近都會有一個暗區(qū)。++V1V2VplasmaTopElectrodeBottomElectrode上圖是反應(yīng)腔內(nèi)直流電壓與位置間的函數(shù)，射頻信號附加在直流電平上。由于等離子體是可導(dǎo)電的，在輝光放電區(qū)內(nèi)電壓降很小。然而，由于凈負電荷的聚集，在等離子體和電極間，存在這著很大的直流電壓降。V1≡Vplasma–Vtop

V2≡Vplasma–Vbottom可以這樣標注電壓：如果上下電極面積A1和A2

相同，根據(jù)對稱性，它們與等離子體間的電勢差相同。然而，對于非對稱腔體，考慮流過等離子體的電流，可有如下關(guān)系式：為了使等離子體和下電極間的電壓差最大，得到大的離子轟擊能量，通常是采用增加上電極的面積的方式。實際應(yīng)用中是將上電極與真空腔體連接，上電極面積實際相當于實際電極加上真空腔面積。通常，一個簡單的電容性放電等離子系統(tǒng)中，離子和基團只占整個等離子氣體的很少一部分。在實際應(yīng)用中(等離子體刻蝕、PECVD鍍膜)，希望獲得高密度的離子和基團，提高刻蝕或沉積的速率。Plasmacontainsgasmolecules,radicals,ionsandelectrons.Feedgas~98%,Radicals~2%Ionsandelectrons~0.001%

普通CVD沉積與等離子體增強沉積速率的比較高密度等離子體(HDP)高密度等離子體中離子密度≥1011m-3這類設(shè)備包括：磁控等離子體(MagneticEnhancedPlasma,MEP)電感偶合等離子體

(InductiveCouplePlasma,ICP)電子回旋共振等離子體(ElectronCyclotronResonance,ECR)所有的這類等離子體源都是利用橫向電場和磁場增加電子在等離子體中的行程（為什么不是增加等離子體的行程？）從而增加電子與原子的碰撞幾率，以提高等離子體中受激基團和離子的密度。磁控等離子體如果有一個磁場加到等離子體上，洛倫茲力會偏轉(zhuǎn)電子，使其在與速度和磁場方向均垂直的方向運動(圓周運動)。由于同時存在電場，因此電子做螺旋線運動，電子的路徑被延長了，增加了碰撞電離的幾率，增大了離子和自由基團的密度。電感耦合等離子體(ICP)高頻放電可以分為電場型放電和磁場型放電。其中磁場型放電是由于磁場隨時間變化引起感應(yīng)電場(法拉第電磁感應(yīng)定律)，利用這個電場加速電子來維持等離子體，這種方法生成的等離子體稱為電感耦合等離子體(Inductivelycoupledplasma,ICP)RF線圈IRFIPPlasma如上圖所示，當沿z軸的螺線管線圈中通有直流電流I時，在線圈內(nèi)就會產(chǎn)生z軸方向的勻強磁場H和磁通Φ。而當電流以角頻率ω振蕩時，由法拉第電磁感應(yīng)定律可知Φ隨時間變化會產(chǎn)生電動勢V，也就是產(chǎn)生感應(yīng)電場Eθ(r,t)。等離子體中的電子在這個電場的作用下被加速，于是在抵消RF電流磁場方向上會形成等離子體內(nèi)的渦電流。z電感耦合等離子體(ICP)RF電源RF線圈PlasmaInductivelyCoupledPlasmaSystemRF頻率:13.56MHz等離子體密度:1017~1018m-3EC