半导体制造之等离子工艺

玻尔兹曼分布

热平衡等离子体中，电子和离子的能量服从玻尔兹曼分布(见下图)。电容耦合型等离子体源的平均电子能量为2〜3eV。等离子体中离子能量主要取决于反应室的温度，是200~400℃或0.04〜0.06eV。

从下图中，可以看出大多数电子的能量平均值为2〜3eV,很少有电子具有离化所需的大约15eV能量。这说明了为什么平行板等离子体源的离化速率很低。

一个问题：如果等离子体源中的电子温度为1keV(大约为11600000T,相当于太阳核心温度)，请问

这个等离子体的游离化速率是多少？

答：大约100%。

离子轰击

由于电子的移动速度比离子快得多，所以当等离子体产生后，任何接近等离子体的东西(包括反应室墙壁和电极)都会带负电。带负电的电极排斥带负电的电子而吸引带正电的离子，因此电极附近的离子比电子多。

由正电荷与负电荷的差值在电极附近形成的电场称为鞘层电位（见下图）。由于该区的电子较少，所以也较少发生激发-松弛碰撞，该区内的发光不如大量等离子体那样强烈。可以在电极附近观察到一个黑暗区域。鞘层电位将离子加速向电极移动，并造成离子轰击。将一片晶圆放在电极上方，就可利用鞘层电位形成的离子加速使晶圆表面受到轰击。

离子轰击是等离子体的一个重要特征。任何接近等离子体的材料都会受到离子轰击，这将影响刻蚀的速率、选择性和轮廓，并且影响沉积速率和沉积薄膜应力。

离子轰击有两个参数:离子的能量和离子的流量。离子能量和外部的功率供给、反应室压力、电极间的间距及工艺过程所使用的气体有关。离子流量和等离子体的密度有关，也取决于外部的功率供给、反应室压力、电极间的间距及反应室的气体。

射频等离子体系统中，射频频率会影响离子的能量。例如在13.56MHz高频下，电子将吸收多数能量而离子保持“冷冻静止”。频率较低（如350kHz）时，虽然大多数能量仍由电子吸收，但在变化缓慢的交流电场中，离子却有机会从射频功率中获得能量。如果用以前所讲的两个车子比较，这种情况就如同增加每个停车标志之间的距离（从只有一个路口的距离改为1km的距离）。这样虽然摩托车能够快速加速或停止并在平均速度上占优势，但因为这种“道路”可使卡车达到高速并将速度维持一段时间，因此卡车的平均速度也会大幅增加。

一个问题：为什么13.56MHz是射频系统中最常使用的频率？

答：因为各国政府必须遵守国际条约管制射频的使用，避免不同应用之间的相互干扰。如果射频干扰到空中的交通控制无线电信号，就有可能造成严重的后果。工业制造中分配给医药和科学研究的射频是13.56MHz。这个频率的射频发生器已经应用于商业用途，经济效益比其他如2MHz、1.8MHz等频率要高得多。

　　审核编辑：汤梓红