NMC Confidential – Do Not Copy – NMC Training
18
等离子体源介绍
CCP等离子体源
等离子体中的射频电场是由射频天线/电极的电压产生的，即为电容耦合等离子体， 相应的等离子体产生装置即为电容耦合等离子体源。
NMC Confidential – Do Not Copy – NMC Training
NMC Confidential – Do Not Copy – NMC Training
20
等离子体源介绍
介质刻蚀设备
CCP等离子体源应用
• 使用双频输入，即上电极输入较高频率（如13.56，27.12，60，100 MHZ等） 下电极输入较低频率（如2 MHz） • 高、低频率分别控制等离子体密度和到达硅片表面的正离子能量 • 可以产生低等离子体电势和硅片表面低的电子温度 （使用CCP等离子体源的主要原因） • 可以增加磁场从而得到更低的硅片表面电子温度
NMC Confidential – Do Not Copy – NMC Training
15
Outlines
• 等离子体概况 • 等离子体源介绍
• 等离子体诊断
• 刻蚀工艺相关参数
NMC Confidential – Do Not Copy – NMC Training Nhomakorabea16
等离子体源介绍
• CCP等离子体源 (Capacitively Coupled Plasma，CCP) • ICP等离子体源 (Inductively Coupled Plasma，ICP)
NMC Confidential – Do Not Copy – NMC Training
26
等离子体源介绍
ECR等离子体源
利用微波产生感应电场，并应用磁线圈，使得电子的回旋频率与输入频率相同 从而得到高密度的等离子体，即为电子回旋共振等离子体源 微波输入 磁线圈
eB ce m
x x
等离子体产生区
ICP等离子体形成方式
线圈 线圈上存在电压 等离子体内的感应电场 • 产生等离子体过程中的放电模式 • 等离子体空间电位高、电子温度高 • 等离子体密度较低 • 等离子体阻抗较大
电容耦合放电方式
功率升高
电感耦合放电方式
• 等离子体密度高 • 等离子体电子温度低 • 等离子体阻抗较小
NMC Confidential – Do Not Copy – NMC Training
NMC Confidential – Do Not Copy – NMC Training
7
等离子体概况
按等离子体的产生分类
自然等离子体 极光，闪电，电离层等
等离子体分类
广泛存在于宇宙中
实验室等离子体
日光灯的放电，射频放电 ，受控核聚变中的高温等 离子体等
实验室人为产生
按等离子体电离程度分类
强电离等离子体 弱电离等离子体 电离度大于1% 电离度小于1% 日冕、核聚变等 低温等离子体等
25
等离子体源介绍
多晶硅刻蚀设备\LED PSS\GaN刻蚀设备
ICP等离子体应用
• 产生高密度等离子体
• 通过改变上下电极的功率分别控制等离子体密度和正离子能量 • 线圈形状是等离子体密度均匀性的一个重要影响因素，影响到刻蚀工艺均匀性 • 目前常见的线圈形状主要为平面线圈、立体线圈、平面与立体结合线圈
PECVD设备
•使用单频输入，多采用13.56MHZ和几十~几百KHz • 不同频率可以调节沉积SiNx和SiO2膜的应力类型及大小
NMC Confidential – Do Not Copy – NMC Training
21
等离子体源介绍
ICP等离子体源1
射频电压加在导电线圈上，由射频电场激发射频磁场，从而产生感应涡旋电场， 激发等离子体，即为电感耦合等离子体，相应的等离子体源为电感耦合等离子体源
• 发生如下过程：
- 电离过程 - 激发过程 - 离解过程
nucleus
nucleus
nucleus
Free electron
A B
A
+
B Gas
NMC Confidential – Do Not Copy – NMC Training
6
等离子体概况
等离子体产生原理2
• 一般的方法就是通过电能，或者动能来提供能量，使原子 核外电子脱离原子核的束缚。 • • 电能：强电场、微波、激光、宇宙射线等； • 动能：高能粒子轰击、加热等。 • 目前实验室及工业中用来产生等离子体的方法多为为气体 放电的方法。比如，根据驱动源不同分为： • • 微波、RF、AC等
匹配器
coil功能： • 激发感应磁场及电场 • 将能量传递于等离子体
plasma
ICP等离子体源为一个变压器模型，又称TCP (Transformer Coupled Plasma, TCP)
NMC Confidential – Do Not Copy – NMC Training
23
等离子体源介绍
电子、离子、中性粒子
等离子体基本特征：
- 准电中性：等离子体宏观上表现为中性 - 集体行为：大量粒子综合的行为
N+ eA
气体状物质
Plasma
NMC Confidential – Do Not Copy – NMC Training
5
等离子体概况
Energy
等离子体产生原理1
• 能量的供应
Orbital electron Free electron Excited electron
等离子体重要参数-等离子体鞘层3
在存在外加射频偏压的下电极表面，形成了直流偏压 形成原因： Vp
直流偏压
• 没有传导电流流过绝缘介质，正负周期 到绝缘介质表面的电子和正离子应该相等
• 下电极表面电位向负方向漂移，以阻止 电子的运动 • 电子运动速率远大于离子，在很短时间内 即可抵消伏负电压时间段内积累的离子电荷 产生的直流偏压约为射频偏压峰峰值的一半
13
等离子体概况
等离子体重要参数-等离子体鞘层2
外加负偏压物体表面的鞘层
等离子体电位
外加负偏压
绝缘体的表面吸引着大量正离子 原因：电极有外加负偏压，吸引正离子 如果负偏压大于电子温度则排斥电子
NMC Confidential – Do Not Copy – NMC Training
14
等离子体概况
等离子体扩散区
NMC Confidential – Do Not Copy – NMC Training
27
等离子体源介绍
ECR等离子体源
NMC Confidential – Do Not Copy – NMC Training
28
等离子体源介绍
ECR等离子体源特点
• 磁线圈的匝数和形状影响着等离子体的均匀性，即工艺均匀性 • 微波输入的频率典型的为2450MHZ
NMC Confidential – Do Not Copy – NMC Training
3
等离子体概况
等离子体基本概念 1
等离子体是一种具有足够电离度的放电气体
NMC Confidential – Do Not Copy – NMC Training
4
等离子体概况
等离子体基本概念 2
等离子体基本组成：
Ne (cm-3) 电离层 低气压放电 105 1010-1013 Ng (cm-3) 1014 1014-1017 Te (K) 300 104 Ti (K) 300 300-1K Tg (K) 300 300
大气压电弧
1014
1017
6000
6000
6000
核聚变
1015
0
>107
>107
NMC Confidential – Do Not Copy – NMC Training
• 可以将微波输入改为射频输入，目前在刻蚀设备上有所应用
等离子体重要参数
- 电离度， α＝ne/ne+ng，在热力学平衡条件下，电离度仅和粒子种类、 粒子密度及温度有关 - 活性粒子数密度，气体分子键断裂形成，直接参与薄膜沉积、刻蚀等工艺过程 - 德拜长度，等离子体内局部正负电荷不相等形成，重要等离子体判据 - 等离子体鞘层特征参数，如鞘层厚度、等离子体电位、悬浮电位等，直接影响 刻蚀工艺结果
9
基本知识-等离子体参数空间
温度 (度)
氢弹
星 云 日冕 太阳风 霓虹灯 星际空间 极光 磁约束 聚 变 太阳核心 惯性聚变
闪电
气体 液 体 固 体
火 焰
人类居住环境
-3Training NMC Confidential – Do Not Copy – NMC
密度(cm )
10
等离子体概况
• 其他重要参数：
按等离子体温度分类
高温等离子体 温度在108—109K 太阳、受控热核反应过程
低温等离子体
温度<108K
一般部分电离
NMC Confidential – Do Not Copy – NMC Training
8
等离子体概况
• 基本参数：
等离子体重要参数
- 粒子密度，电子密度、离子密度、中性粒子密度 一般电子密度=离子密度，即为等离子体密度 - 粒子温度，电子温度、离子温度、中性粒子温度 热平衡等离子体内近似相等；非热平衡等离子体内电子温度远高于其他
NMC Confidential – Do Not Copy – NMC Training
22
等离子体源介绍
产生等离子体系统：
ICP等离子体源2