真空设备原理课件

1、真空压力范围初真空 0.1 Torr-760 Torr中真空 10-4 Torr-10-1 Torr高真空 10-8 Torr-10-4 Torr超高真空 10-8 Torr初真空泵初真空泵均涉及通过活塞/叶片/柱塞/隔膜的机械运动将气体正向移位的过程。所有初真空泵都包括三个步骤：捕捉一定体积的气体、对捕捉的气体进行压缩、排除气体。高真空泵高真空泵分为两类：一类是转移动量给气体分子而抽吸气体；另一类是俘获气体分子。常用的动量转移类型泵有扩散泵和分子泵。常用的气体吸附泵有低温泵、吸气泵、钛升华泵和溅射离子泵。Oil Diffusion PumpTURBO PUMPCRYO PUMP等离子体(pl

2、asma)等离子体是一种中性、高能量、离子化的气体，包含中性原子或分子、带电离子和自由电子。俗称物质存在的第四态。等离子体的产生在电弧被激发前，气体作为绝缘体而不会有电流产生。考虑等离子体形成时所发生的情况，如果高压足够高，反映腔内的电场高于气体裂解所需电场，在两个电极间就会产生高压电弧，这个电弧会产生大量的离子和自由电子。由于腔内电场的作用，电子被加速移向正的阳极，同时离子被加速移向负的阴极，由等离子体的产生 于电子的质量很小，电子会比缓慢移动的离子加速快得多。且离子穿越放电区并最终打在阴极上，当它们打在阴极上时，就会从阴极的材料中释放出大量的 二次电子，这些电子向相反方向加速冲向阳极，如果

3、在电极之间的电压足够大，这些高能量电子和中性原子的非弹性碰撞将产生出更多的离子，这个二次电子的释放和离子的产生过程维持了等离子体。辉光放电术语“辉光放电”是指发光是由等离子体产生。当一个被激发的原子或分子的电子返回到基态的时候，它以可见光辐射的形式释放出能量，由此产生了辉光放电中的光。辉光放电辉光的产生射频放电在许多情况下，在一个或多个电极上的材料是绝缘的，暴露在硅片表面的材料，光刻胶和氧化层都是绝缘体，当离子轰击硅片表面时，会发射出二次电子，使这些层充满电荷。电荷积聚在表面，使电场减少，直到等离子体最终消失。为解决这个问题，等离子体可以用交流信号来驱动，一般为13.56MHz。物理气相淀积(

4、PVD)具有一定能量的入射离子(Ar+)在对固体表面轰击时，入射离子在与固体表面原子的碰撞过程中将发生能量和动量的转移，并可将固体表面的原子溅射出来，这种现象称为溅射。溅射主要是一个物理过程而不是一个化学过程。溅射的优点具有淀积并保持复杂合金原组分的能力能够淀积高温熔化和难熔金属能够在直径200mm或更大的硅片上控制淀积均匀薄膜具有多腔集成设备，能够在淀积金属前清除硅片表面玷污和本身的氧化层(Etch)基本溅射过程在高真空腔等离子体中产生正氩离子，并向具有负电势的耙材料加速在加速过程中离子获得动能，并轰击耙离子通过物理过程从耙上撞击出溅射原子被溅射的原子在硅片表面凝聚并形成薄膜，与耙材料比较，

5、薄膜具有与它相同基本溅射过程 的材料组分额外材料由真空泵抽走影响溅射的常见因素通入腔内氩气的压力腔内真空度溅射电流硅片温度溅射方法磁控溅射 电子在电场和磁场中将受到洛伦兹力的作用，若三者相互平行，则电子的运动轨迹仍是一条直线；电子的运动轨迹是沿电场方向加速、同时绕磁场方向螺旋前进。磁场的存在将延长电子在等离子体中的运动轨迹，提高了与原子碰撞的效率，从而也提高了原子的电离几率，导致在磁控溅射中，靶上的电流密度相对于直流配置的1mA/cm2提高到溅射方法 10100mA/cm2。因而在同样的电流和气压下可以显著地提高溅射的效率和淀积的速率。磁控溅射是应用最广泛的一种溅射淀积方法，因为这种方法淀积速

6、率可以比其他溅射方法高出一个数量级，薄膜质量又好。这是由于磁场有效地提 高了电子与气体分子的碰撞几率，因而工作气压可以明显降低，而较低气压条件下溅射原子被散射的几率就很小。一溅射方法 方面降低了薄膜污染的倾向，另一方面也将提高入射到硅片表面原子的能量，因而将可以在很大程度上改善薄膜的质量。偏压溅射 为了改善薄膜的组织结构，可以采用偏压溅射方法。偏压溅射就是在一般溅射设置的基础上，在硅片与靶材之间施加一定大小的偏置电压，以改变入射到硅片表面的带电粒子的数量和能量的方法。在偏压作用下，带电离子对表溅射方法 面的轰击可以提高淀积原子在薄膜表面的扩散和参加化学反应的能力，提高薄膜的密度和成膜能力，抑制

7、柱状晶生长和细化薄膜晶粒等。蚀刻湿法蚀刻利用合适的化学溶液先将所欲蚀刻的材质未被光阻覆盖部分分解，然后转成可溶于此溶液的化合物之后，而达到去除的目的。湿法蚀刻的进行主要是凭借溶液与欲刻蚀材质之间的化学反应，因此，我们可以籍由化学溶液的选取与调配，得到适当的蚀刻速率，以及欲蚀刻材质对光阻湿法蚀刻 及下层材质的良好蚀刻选择比。 优点：制程单纯，设备简单。成本低，产能高。 缺点：刻蚀是同向性的，会造成底切导致失真 。 控制湿法蚀刻的速率： 1.溶液浓度 2.溶液温度同向和异向蚀刻干法蚀刻利用反应气体在电场加速作用下形成的等离子体中的活性基，与被腐蚀材料表面发生化学反应或物理反应，形成挥发物资并随气流

8、带走。干法蚀刻优点蚀刻剖面是各向异性,具有非常好的侧壁剖面控制好的CD控制最小的光刻胶脱落或黏附问题好的片内、片间、批次间的蚀刻均匀性较低的化学制品使用和处理费用等离子蚀刻反应器真空工艺腔RF电源发生器真空系统和压力控制系统流量控制系统终点监测真空工艺腔-圆桶型反应器硅片与电场平行放置使物理蚀刻最小。这种蚀刻具有各向同性和高选择比的纯化学过程。因为硅片表面没有物理的轰击，所以它具有最小的等离子体诱导损伤。圆桶式等离子体主要用于硅片表面的去胶。真空工艺腔-平板反应器硅片平放在接地电极上，等离子体在俩电极之间形成，此时晶片趋于比中间等离子体低的电位，带电荷的反应离子向垂直于电场的晶片表面运动，刻蚀

9、。所以侧向腐蚀小，实现了各向异性腐蚀，同时，两平行板间距离调的很近，活性原子及原子团也能起刻蚀作用，所以既有物理反应也有化学反应真空工艺腔-反应离子蚀刻RIE反应腔内的等离子体在大部分区域都是一个具有高导电性的等势体。但是在靠近两个电极的区域则是一个呈高阻态的暗区。此外增大接地阳极对阴极的面积比，可以提高阴极上的直流偏置电压，可达100V-1000V，这样使正粒子被电场加速，真空工艺腔-反应离子蚀刻RIE获得较大的动能，可垂直轰击待刻蚀的晶片表面。使得刻蚀晶片具有较好的各项异性，同时反应离子刻蚀气体系统中那些具有高度反应性的原子团和活性基，又使化学反应过程表现较好的腐蚀先择比。真空工艺腔-反应

10、离子蚀刻RIE因此，RIE在各项异性腐蚀及刻蚀选择比这两方面取得了较好的统一，目前已成为集成电路刻蚀的主要技术。磁场强化RIE系统磁增强反应离子蚀刻MERIE是在传统的RIE中，加上永久磁铁和线圈，产生与晶片平行的磁场，这样与直流偏压产生的电场垂直，所以带电粒子在此磁场作用下，将以螺旋方式移动，这样一来减少电子撞击腔壁的机会，提高等离子体的密度。用磁场来限制等离子体以产生高密度等离子体并容许低压工作，有效地磁场强化RIE系统保证了蚀刻的方向性和均匀性，特别是在蚀刻高深宽比图形时更有效。 RF电源发生器射频频率信号发生器（频率合成器。激励级）射频电压放大器（缓冲级）射频功率放大器（前级放大和末级

11、放大）射频输出网络（匹配网络）真空工艺腔压力一般由Throttle Valve 控制真空系统大部分都要求具有耐腐蚀型流量控制系统(MFC.AFC)利用毛细管温差传热量测法，测量气体流量。将传感器加热电桥测得的流量信号给放大器放大，放大后的流量检测电压与设定电压进行比较，在将差值信号放大后去控制电磁阀，使之与设定值相等。终点监测干法刻蚀不像湿法刻蚀，有很高的选择比，过度的刻蚀会损伤下一层材料，因此，蚀刻时间就必须正确无误的掌握，另外，机台状态的些微变化，如气体流量。温度。或晶片上材料一批与一批间的差异。都会影响刻蚀时间的控制，因此，必须时常检测刻蚀速率的变化。使用终点侦测器的方法。可以计算出刻蚀

12、结束的正确时间，进而准确地控制过度终点监测 刻蚀的时间，以确保多次刻蚀的再现 性。 光谱发射是终点检测中最常用的一种方 法。被激发的基发射出对应于特定材料的一定波长的光。在气体辉光放电中被激发的原子或分子所发出的光可用光发 终点监测 射谱来分析，从而鉴别出该元素。发射的光通过一个带有允许特殊波长的光通过的带过滤器的探测器，从而鉴别出被蚀刻的材料。在等离子体中，发射光的强度与相关元素的相对浓度有关。根据这一点，终点检测器能够检测出什么时候蚀刻材料已被刻完并进行下层材料的蚀刻。离子注入 掺杂只有当硅中加入少量杂质，使其结构和电导率发生改变时，硅才成为一种有用的半导体。这个加入少量杂质的这个过程我们

13、称之为掺杂。 在晶圆的制造中，有两种方法可以向硅片中引入杂质，就是热扩散和离子注入。如扩散利用高温驱动杂质穿过硅的晶格结构，这种方法受到时间和温度的影响。离子注入通过高压离子轰击把杂质引入硅片。 离子注入的优点1，精确控制杂质含量：能在很大范围内精确控制注入杂质浓度，从1010到1017ions/cm2，误差在2%。扩散在高浓度控制杂质含量误差在5%到10%以内，但浓度越小误差就越大。2，很好的杂质均匀性：用扫描的方法控制杂质的均匀性3，对杂质穿透深度有很好的控制：通过控制注入过程中离子能量控制杂质的穿透深度，增大了设计的灵活性，如埋层，最大杂质浓度在埋层里，最小浓度在硅片表面。 离子注入的优

14、点4，产生单一离子束：质量分离技术产生没有玷污的纯离子束，不同的杂质能够被选出进行注入。5，低温工艺：注入在中等温度（小于125）下进行，允许使用不同的光刻掩膜，包括光刻胶。6，注入的离子能穿过薄膜：杂质可以通过薄膜注入，如氧化物或氮化物。7，无固浓度极限：注入杂质含量不受硅片固浓度限制。 离子注入的缺点离子注入的主要缺点是高杂质离子轰击硅原子将对晶体结构产生损伤。大多数甚至所有的晶体损伤都能用高温退火进行修复。 离子注入机分类1，中低电流2，大电流3，高能4，氧注入机 离子注入机离子注入设备主要分为以下5个部分：1，Ion source2，extraction and AMU (analyz

15、e magnet unit)3，acceleration4，scan assembly5，process chamberTERMINALGROUND FILAMENTSUPPLY 1000 WARC SUPPLY 30V - 100VPRE ACCELL SUPPLY2KV - 60KV-+-FILAMENTARC CHAMBERFreeman Bernas FILAMENTSUPPLY 1000 WARC SUPPLY 30V - 100VPRE ACCELL SUPPLY2KV - 60KV-+-FILAMENTARC CHAMBER+-Electron ReflectorUltraLif

16、eTM Ion SourceArcFilBias-+-+80A 7.5V2A 600V7A 150V+-FilamentCathodeAnti-CathodeArc ChamberFace PlateSuppressionElectrodeGroundelectrodeFixed gap40kVBeam Focus (fixed gap Vs Pre-Accel Voltage) Extraction PowerMagnetic Mass/Charge RatioIONSOURCEHeavy ionLight ionSelectedPre acceleration voltage = cons

17、tantMagnetic field intoPaper = constantMass ResolvingSlit.R= radius of ionB= magnetic field strengthV= acceleration voltagen= charge state (+=1,+=2)e= 1.602X10-19m= mass (AMU)Beam Shape ModifiersSuppression Terminal groundMRS cross-overSourceMagnet Fringe Field - focusAnalyser4-11 加速Quad Magnet7/28/2022beam focus by Q1, Q27/28/2022 平行扫描Arc chamberGuide tube supportAr bleedFilament strapGuide tube Faraday Cup 高压的具体实现Operator consoleScan assemblyWheel ch