半导体行业：等离子工艺（七）

直流偏压

在射频系统中，射频电极的电位如同等离子体电位一样变化很快。由于电子的移动速度远远快于离子，并且任何接近等离子体的东西都会带负电，所以等离子体的电位永远高于附近的其他东西。

如下图中的等离子体电位曲线（实线），当射频电位（虚线）在正周期内时，等离子体的电位高于射频电极的电位。当射频电位变成负时，等离子体电位并未向负方向移动。等离子体电位必须维持比接地电位高的状态。当射频电位再返回到正周期时，等离子体电位也提高,因此等离子体电位在整个循环周期内都比接地电位高（见下图）。这样大量等离子体与电极之间将保持一个直流电位差值，这种差值称为直流偏压。离子轰击的能量取决于直流偏压。PECVD反应室中平行板电极间的直流偏压为10~20V。直流偏压主要取决于射频能量，同时也与反应室压力及工艺过程中的气体类型有关。

当射频能量增加时，射频电位的振幅也增加，等离子体电位和直流偏压也会增加（见下图）。

等离子体电位取决于射频功率、压力及电极间的间距。对于两个电极面积相同的对称系统（见下图）,电极的直流偏压为10~20V。大多数PECVD系统都是这种结构。

由于射频功率影响等离子体的密度，因此电容耦合型（平行板）等离子体源无法独立控制离子的能量和离子的流量。

下图显示了在一个不对称电极等离子体源中的电压情况，这两个电极具有不同面积。电流的连续性将产生所谓的自偏压，即在较小的电极上形成的负偏压。鞘层电压取决于两个电极面积的比例（见下图）。理想状态下（鞘层区无碰撞发生）电压和电极区域的关系为：

其中，V1是直流偏压，也就是大量等离体与射频电极之间的电位差。V2是等离子体电位（等离子体接地）。自偏压等于V1-V2（从射频端到接地的电压）。电极越小，鞘层电压越大，也就能产生较高能量的离子轰击。

 

大多数刻蚀反应室都使用不对称电极，并将晶圆放在较小的射频电极上，使得在整个射频周期内获得较高能量的离子轰击。刻蚀需要较多的离子轰击，较小电极上的自偏压能增加离子轰击的能量。对于对称平行电极的射频系统，两个电极遭受的离子轰击能量基本相同。但对于需要大量离子轰击的工艺过程，如等离子体刻蚀，不但会产生粒子污染，也会缩短反应室内零件的寿命。

一个问题

问：如果电极的面积为1：3,问直流偏压和自偏压之间的差值是多少？

答：直流偏压为V1，自偏压为V1-V2。因此，差值为：

［V1-（V1—V2）］/V1=V2/V1=（A1/A2）4=（1/3）4=1/81=1.23%

在这个问答中，直流偏压V1明显大于等离子体电位V2而且与自偏压非常接近。许多人测量了射频热电极与接地电极之间的电位差，并称之为“直流偏压”。实际上这就是自偏压，由于两者的数值很接近，所以可以忽略难以测量的等离子体电位V2。所以离子碰撞的能量取决于直流偏压。

问：是否可以在等离子体中插入金属探针测量等离子体电位V2?

答:可以。但是当探针靠近等离子体时，会受到电子快速运动的影响而带负电，并在表面和等离子体间形成鞘层电位。因此测量结果由鞘层电位的理论模型决定，然而这个理论模型至今没有被完善。

审核编辑 ：李倩