等離子體的一些基礎(chǔ)知識

等離子體（Plasma）是一種電離氣體，通過向氣體提供足夠的能量，使電子從原子或分子中掙脫束縛、釋放出來，成為自由電子而獲得，通常含有自由和隨機移動的帶電粒子（如電子、離子）和未電離的中性粒子。由于帶正電荷的離子和帶負電荷的電子是在電離過程中由中性粒子成對產(chǎn)生的，因此整個等離子體呈電中性。?

等離子體按照溫度可分為高溫等離子體和低溫等離子體。高溫等離子體是一種完全電離的氣體，各粒子均具有一致的溫度，只有在溫度足夠高（通?？蛇_106K）時才能夠獲得，通常存在于宇宙天體及核聚變中。

低溫等離子體又分為熱等離子體（103~105K）和冷等離子體（102~105K）。熱等離子體重粒子（分子、原子、正離子）溫度接近于電子溫度，處于熱力學(xué)平衡態(tài)或近熱力學(xué)平衡。冷等離子體中的重粒子溫度接近室溫，而電子溫度仍然很高，處于非熱力學(xué)平衡態(tài)。

在實驗室和工業(yè)應(yīng)用中，冷等離子體通常由低壓下的輝光放電產(chǎn)生，所使用交變電場的頻率包括音頻（10~50 kHz）、射頻（約 13.56MHz）和微波頻率（約 2.45 GHz），有時也會使用直流放電。

等離子體因具有電離態(tài)的離子和電子而展現(xiàn)出更高的化學(xué)活性，使材料更易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。實際上，等離子體技術(shù)用于材料的合成和表面改性大多是基于自由基。通常情況下，自由基處于基態(tài)，但總有部分自由基會以電子激發(fā)態(tài)的形式存在，比基態(tài)自由基具有更高的能量，可打破多種化學(xué)鍵。當高能自由基與基底材料表面接觸時，即在能量交換的過程中，會發(fā)生一系列物理、化學(xué)反應(yīng)，從而改變材料表面的物理、化學(xué)性質(zhì)，實現(xiàn)對材料的加工和改性。

一、離子化

等離子體的離子化率?是指等離子體中離子占總粒子數(shù)的比例。太陽是一個充滿等離子體的大球。在太陽的邊緣，由于溫度相對較低（約6000℃），離化率也就低。但在太陽中心，由于溫度相當高（10，000，000℃），因此幾乎所有氣體分子都被離子化，離化率幾乎為 100% 。

半導(dǎo)體制造使用的冷等離子體的離化率通常很低，比如等離子體增強化學(xué)氣相沉積反應(yīng)室（PECVD）內(nèi)電容耦合等離子體（CCP）產(chǎn)生的離化率大約為百萬分之一到千萬分之一，或小于 0.0001% 。電容耦合等離子體刻蝕反應(yīng)室內(nèi)離化率稍高一些，為 0.01% 左右。對于電感耦合等離子體（ICP）和電子回旋共振（ECR）這兩種最普遍的高密度等離子體源，離化率仍很低，約為1%~5% 。半導(dǎo)體用等離子體的離化率與等離子體功率直接相關(guān)，同時也與壓力、電極間距、氣體種類及反應(yīng)室設(shè)計有關(guān)。

二、腔室壓力

粒子的平均自由程（Mean Free Path， MFP）的定義是粒子和粒子碰撞前能夠移動的平均距離。平均自由程主要取決于腔室壓力，因為壓力決定粒子的密度。由于不同氣體分子有不同尺寸或橫截面，因此反應(yīng)室中的氣體也會影響平均自由程。當壓力減小時，平均自由程就會增加，粒子密度就會下降，因此碰撞的頻率就降低。平均自由程是等離子體的重要參數(shù)，能通過控制腔室壓力改變平均自由程，最終影響等離子體工藝結(jié)果。PECVD 腔室壓力通常在0.1~10Torr ，其電子的平均自由程為 0.001~0.1cm。等離子體刻蝕室壓力較低，為 3~300mTorr，其電子的平均自由程范圍在 0.33~33cm 之間。

在等離子體刻蝕工藝中，當腔室壓力改變時， 平均自由程也發(fā)生變化，同時離子轟擊能量和離子運動方向也受壓力的影響，這樣會改變刻蝕中的刻蝕速率和刻蝕輪廓。等離子體的聚集態(tài)也會因電子平均自由程改變而不同。當壓力較高時，等離子體比較集中在電極附近，但是當壓力較低時，等離子體則分布在反應(yīng)室的各處。壓力會影響等離子體的均勻性并改變整個晶圓的刻蝕速率。

氮化硅膜都存在一個機械應(yīng)力較大的問題，尤其是低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD）氮化硅膜，最厚只能淀積 300nm 左右，超過就會開裂甚至脫落。PECVD制備氮化硅薄膜的應(yīng)力情況雖然比LPCVD要好一點，但它受工藝條件的影響非常明顯。工藝條件適當，可得到無應(yīng)力的氮化硅薄膜，工藝條件掌握不好 300nm 氮化硅薄膜照樣會出現(xiàn)開裂、脫落等現(xiàn)象。

上圖為使用 PECVD 沉積氮化硅薄膜?？梢钥闯?，腔室壓力從低到高，壓應(yīng)力（Compressive）由大變小。這是因為在低壓力下離子對襯底表面的轟擊作用變強，離子能量到達一定程度就能打破膜生成過程中的原子鍵，造成膜膨脹而引發(fā)壓應(yīng)力。這跟后文會提到在低頻下產(chǎn)生壓應(yīng)力的根本原因是一樣的。在低頻電源作用下，等離子體中的離子容易被交變電場加速，到達襯底的速率要比高頻交變電場中的大，對襯底表面的轟擊作用也就更明顯，從而造成壓應(yīng)力。

三、離子轟擊

當?shù)入x子體產(chǎn)生后，任何接近等離子體的物體（包括反應(yīng)室壁和電極）都會帶負電，因為電子的移動速度比離子快得多。帶負電的電極吸引正離子，因此電極附近的離子比電子多。

因此等離子體與電極附近因電荷差異會形成電場，被稱為鞘層。鞘層電位差會將離子加速向電極移動，會造成離子轟擊。將一片晶圓放在電極上方，就可利用鞘層電位形成的離子加速使晶圓表面受到轟擊。而且鞘層區(qū)域內(nèi)電子較少，發(fā)光不如等離子體那樣強烈?？梢栽陔姌O附近觀察到一個黑暗區(qū)域（暗區(qū)）。

離子轟擊是等離子體的一個重要特征。任何接近等離子體的材料都會受到離子轟擊，這將影響刻蝕的速率、選擇性和輪廓，也會影響沉積速率和沉積薄膜應(yīng)力。

離子轟擊有兩個重要參數(shù)：離子能量和離子流量。離子能量與等離子體功率、反應(yīng)室壓力、電極間距及工藝氣體等條件有關(guān)。在射頻等離子體系統(tǒng)中，射頻頻率會影響離子能量。例如在高頻（13.56MHz）下，電子將吸收多數(shù)能量而離子保持“冷凍靜止”。頻率較低（350kHz）時，雖然大多數(shù)能量仍由電子吸收，但在變化緩慢的交流電場中，離子卻有機會從射頻功率中獲得能量。離子流量與等離子體的密度有關(guān)，因此也與等離子體功率、反應(yīng)室壓力、電極間距及工藝氣體等條件有關(guān)。

四、直流偏壓

前面提到，等離子體電位高于電極電位。在射頻等離子體系統(tǒng)中，等離子體電位在整個循環(huán)周期內(nèi)一直維持比接地電位高的狀態(tài)。這樣腔體內(nèi)等離子體與接地電極之間將保持一個直流電位差值，這種差值稱為直流偏壓。離子轟擊的能量取決于直流偏壓，對于兩個電極面積相同且對稱的 PECVD 反應(yīng)室內(nèi)電極間的直流偏壓約為 10~20V。

射頻功率增加，直流偏壓也會增加，同時會影響等離子體密度。因此早期 CCP 只有一個射頻電源，射頻功率的變化會同時影響到離子轟擊能量和等離子體密度，所以單頻 CCP 的可控性較差。多頻 CCP 可以單獨對等離子體密度以及離子轟擊能量進行控制，高頻電場主要控制等離子體密度，低頻電場主要控制離子轟擊能量，多頻 CCP 也是當前主流 CCP 刻蝕設(shè)備。