半导体制造之等离子工艺

由下图可以看出当气体密度较高时MFP较短(a);而当气体密度较低时，MFP就较长(b)。大粒子的截面积较大，扫过的空间也较大。与一般或较小的离子相比，大粒子有更多概率和其他粒子发生碰撞，使其具有较短的MFP。改变压力会改变粒子密度，因此会影响MFP，即λ反比于压力p。

当压力降低时，MFP就会增加;而当压力减小时，粒子密度就会降低，因此碰撞的频率就降低。空气中的气体分子MFP大约为：

MFP( cm) 约等于 50/p(mTorr)

由于电子的尺寸较小，因此MFP是尺寸的两倍：

λe(cm)约等于100/p(mTorr)

PECVD通常在1〜10 Torr真空下进行，因此在PECVD反应室中，电子的MFPλe为0.01〜0.1 cm。刻蚀过程中的压力较低，为3〜300 mTorr。所以在刻蚀反应室中，电子的MFPλe在0.33〜33 cm 之间变化。

平均自由程是等离子体的重要参数，能通过反应室的压力控制，而且平均自由程也影响工 艺结果，特别是在刻蚀过程中，平均自由程会有显著影响。当等离子体反应室的压力改变时, MFP也发生变化。同时离子的轰击能量和离子的方向也受反应室压力的影响，这样会改变刻蚀中的刻蚀速率和刻蚀轮廓，以及PECVD中的薄膜应力。等离子体的聚集态也会因电子的MFP 改变而不同。当压力较高时，等离子体比较集中在电极附近;但是当压力较低时，等离子体则分布在反应室的各处。压力会影响等离子体的均匀性并改变整个晶圆的刻蚀速率或沉积速率。

一个问题

问：为什么需要真空反应室产生稳定的等离子体?

答:在一个标准大气压下(760 Torr或760 mmHg),电子的平均自由程很短。除非在强大 的电场条件下，否则要使电子获得足够的能量而使气体离化相当困难。然而当电场很强时，等离子 体将形成弧光放电，这并不是稳定的辉光放电，所以需要在真空室环境下产生稳定的等离子体。

热速度

等离子体中的电子、离子和中性分子因为受外界电能和热运动作用而不断移动。由于电子 最轻、最小，因此比离子和中性分子容易吸收外界能量。在等离子体中，电子总是比离子和中性分子移动得快。

如果将电子的质量和最轻的氢离子比较，质量比为1：1836。PECVD、刻蚀和PVD过程中最常用的离子是氧离子、氯离子、氯离子和氟离子，它们都比氢离子重。因此这些离子都比电子重得多，两者至少相差10 000倍。然而通过电能提供给等离子体的能量，电子和离子得到的相同，这是因为电能只与电荷和电场有关：

F = qE

其中，F是带电粒子所受的力，q为电荷(电子带负电而离子为正电荷)，E为外界提供的电场, 如射频、直流或微波产生的电场。带电粒子的加速度可以表示为：

a=F/m=qE/m

其中，m是带电粒子的质量。由于电子的质量比离子质量的万分之一还小，因此它们的加速度比离子快1万倍以上，就如同摩托车的加速度比卡车快一样。如果摩托车上装的是卡车的强力引擎，它的加速度会非常快，或如果卡车上装的是摩托车引擎，那么它的慢速度会造成严重的交通阻塞。

审核编辑：汤梓红