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1、微细加工真空第1页，共18页，编辑于2022年，星期六 10.1 气体动力学理论气体动力学理论 气体分子热运动速度的大小的平均值气体分子热运动速度的大小的平均值 气体分子热运动速度在三个方向上的分量的大小的平均值气体分子热运动速度在三个方向上的分量的大小的平均值 气体分子热运动速度的均方值气体分子热运动速度的均方值 例如氮气分子在室温下的例如氮气分子在室温下的 约为约为 240 m/s。第2页，共18页，编辑于2022年，星期六 气体分子在两次碰撞之间的平均距离，即气体分子在两次碰撞之间的平均距离，即 平均自由程平均自由程平均自由程平均自由程 单位时间内撞击单位面积的气体分子的数目单位时间内撞
2、击单位面积的气体分子的数目 气体的粘滞系数气体的粘滞系数式中，式中，d 代表分子直径，代表分子直径，n 代表单位体积内的分子数。代表单位体积内的分子数。气体的扩散系数气体的扩散系数第3页，共18页，编辑于2022年，星期六 单位单位单位单位 转换因子转换因子转换因子转换因子 标准大气压（标准大气压（标准大气压（标准大气压（atmatm）1.333 1.333 1010-3-3 帕或牛顿每平方米（帕或牛顿每平方米（帕或牛顿每平方米（帕或牛顿每平方米（PaPa）133.3133.3 磅每平方英寸（磅每平方英寸（磅每平方英寸（磅每平方英寸（PSIPSI）1.933 1.933 1010-2-2 当将
3、当将 Torr 转换成所列单位时乘以转换因子，将所列单位转换转换成所列单位时乘以转换因子，将所列单位转换成成 Torr 时除以转换因子。时除以转换因子。通常用气体压强来衡量真空度。在集成电路工艺中经常使用的压强通常用气体压强来衡量真空度。在集成电路工艺中经常使用的压强单位是单位是 “托（托（托（托（TorrTorr）”（即毫米汞柱（即毫米汞柱 mmHg），虽然它不是一个），虽然它不是一个标准单位。各种压强单位及其换算方式为标准单位。各种压强单位及其换算方式为第4页，共18页，编辑于2022年，星期六 10.2 气体流动及传导率气体流动及传导率 气体流速气体流速 Q 通常以通常以“标准升标准升标
4、准升标准升/分钟分钟分钟分钟”或或“标准立方厘米标准立方厘米/分钟分钟”为单位。标准升是指在为单位。标准升是指在 0oC 和和 1 atm 压强下压强下 1 升体积内的气体量。升体积内的气体量。由于由于 1 摩尔气体在标准条件下是摩尔气体在标准条件下是 22.4 升，所以升，所以 1 标准升是标准升是 1/22.4 摩尔。摩尔。气体传输系统的气体传导率气体传输系统的气体传导率 C 的定义为的定义为式中，式中，p1 和和 p2 分别为入口和出口处的气压。设分别为入口和出口处的气压。设 D 和和 L 分别是管道的分别是管道的直径和长度，直径和长度，pav 是平均气压，则是平均气压，则第5页，共18
5、页，编辑于2022年，星期六 10.3 压力范围和真空泵压力范围和真空泵 初真空初真空初真空初真空 0.1 Torr 760 Torr，10 Pa 105 Pa 中真空中真空中真空中真空 10-4 Torr 10-1 Torr，10-2 Pa 10 Pa 高真空高真空高真空高真空 10-8 Torr 10-4 Torr，10-6 Pa 10-2 Pa 超高真空超高真空超高真空超高真空 10-8 Torr，10-6 Pa 集成电路制造工艺中使用的很多设备，一般工作在初真空或集成电路制造工艺中使用的很多设备，一般工作在初真空或中真空。但是为了得到洁净的真空室，通常要先抽到高真空或超中真空。但是为了
6、得到洁净的真空室，通常要先抽到高真空或超高真空，然后再通入工作气体。有少数设备如分子束外延则需要高真空，然后再通入工作气体。有少数设备如分子束外延则需要高真空甚至超高真空。高真空甚至超高真空。第6页，共18页，编辑于2022年，星期六 集成电路制造中使用的初真空泵一般采用旋转叶片泵，也称为机械集成电路制造中使用的初真空泵一般采用旋转叶片泵，也称为机械泵。单级旋转叶片泵能达到的真空度约为泵。单级旋转叶片泵能达到的真空度约为 20 mTorr，而两级旋转叶片，而两级旋转叶片泵的真空度则能达到泵的真空度则能达到 1 mTorr。第7页，共18页，编辑于2022年，星期六 集成电路制造中使用的高真空泵
7、可分为两大类：一类是转移动量集成电路制造中使用的高真空泵可分为两大类：一类是转移动量给气体分子而抽吸气体，如扩散泵和涡轮分子泵，主要用于抽吸腐蚀给气体分子而抽吸气体，如扩散泵和涡轮分子泵，主要用于抽吸腐蚀性气体和有毒气体，或抽吸大流量气体。另一类是俘获气体分子，如性气体和有毒气体，或抽吸大流量气体。另一类是俘获气体分子，如吸附泵、钛升华泵和溅射离子泵，主要用于抽吸小流量气体，或在需吸附泵、钛升华泵和溅射离子泵，主要用于抽吸小流量气体，或在需要极高洁净度的场合。要极高洁净度的场合。所有的高真空泵都需要低真空泵作为预真空泵。所有的高真空泵都需要低真空泵作为预真空泵。第8页，共18页，编辑于2022
8、年，星期六 10.4 真空密封和压力测量真空密封和压力测量 在初真空和中真空段，通常采用在初真空和中真空段，通常采用“O”形橡胶圈来进行真空腔体的形橡胶圈来进行真空腔体的密封。在高真空和超高真空段，则必须采用金属对金属的密封。早期采用密封。在高真空和超高真空段，则必须采用金属对金属的密封。早期采用类似类似“O”形橡胶圈的黄金圈。现在一般采用形橡胶圈的黄金圈。现在一般采用 Conflat 法兰，这是一种法兰，这是一种夹在两个刀口之间的扁平柔软夹在两个刀口之间的扁平柔软 2 mm厚的金属环，通常用铜或铜银合厚的金属环，通常用铜或铜银合金制成。金制成。测量初真空可以使用电容压力计，测量初真空和中真空
9、可使用热测量初真空可以使用电容压力计，测量初真空和中真空可使用热偶真空计，而测量高真空和超高真空，就必须使用电离真空计。偶真空计，而测量高真空和超高真空，就必须使用电离真空计。第9页，共18页，编辑于2022年，星期六 等离子体是等离子体是部分电离的气体部分电离的气体部分电离的气体部分电离的气体。等离子体中的气体分子受到电子碰。等离子体中的气体分子受到电子碰撞后会发生激发和离化，等离子体中除了含有带电的自由电子和离子外，撞后会发生激发和离化，等离子体中除了含有带电的自由电子和离子外，还含有大量处于激发态的、不稳定的、化学性质十分活泼的中性分子或还含有大量处于激发态的、不稳定的、化学性质十分活泼
10、的中性分子或原子，称为原子，称为 游离基游离基游离基游离基（或（或 自由基自由基自由基自由基）。当原子被中等能量的电子碰撞后，其）。当原子被中等能量的电子碰撞后，其内层电子将被激发到高能状态而成为游离基。游离基的寿命极短，当电子内层电子将被激发到高能状态而成为游离基。游离基的寿命极短，当电子返回基态时，将发射出可见光，这就是返回基态时，将发射出可见光，这就是 辉光放电辉光放电辉光放电辉光放电。10.5 直流辉光放电直流辉光放电 当原子被大于约当原子被大于约 15 eV 能量的电子碰撞时，发生的将是电离而不是能量的电子碰撞时，发生的将是电离而不是激发，这时就不会产生辉光放电。激发，这时就不会产生
11、辉光放电。第10页，共18页，编辑于2022年，星期六 典型条件：气压典型条件：气压 1 Torr，电极间距，电极间距 10 cm 时电压约时电压约 800V，电极间，电极间距距 5 cm 时电压约时电压约 500V。工作气体工作气体真空室真空室泵泵直流电直流电源源 当电压足够高，使真空室内的电场高于气体电离所需的电场时，两个当电压足够高，使真空室内的电场高于气体电离所需的电场时，两个电极间就会产生高压电弧，并产生大量自由电子和离子。电子移向阳极，电极间就会产生高压电弧，并产生大量自由电子和离子。电子移向阳极，离子移向阴极。离子与阴极的碰撞产生大量二次电子，这些二次电子在电离子移向阴极。离子与
12、阴极的碰撞产生大量二次电子，这些二次电子在电场中加速以及与原子的碰撞维持了等离子体与辉光放电。场中加速以及与原子的碰撞维持了等离子体与辉光放电。+-第11页，共18页，编辑于2022年，星期六 10.6 射频放电射频放电 直流辉光放电法只能用于金属电极而不能用于介质材料直流辉光放电法只能用于金属电极而不能用于介质材料，这，这是因为轰击阳极介质靶材的电子和轰击阴极介质靶材的离子的电是因为轰击阳极介质靶材的电子和轰击阴极介质靶材的离子的电荷无法泄放，使阳极电位不断降低，阴极电位不断升高荷无法泄放，使阳极电位不断降低，阴极电位不断升高，两极之，两极之间的电场不断下降，最终使等离子体消失。间的电场不断
13、下降，最终使等离子体消失。为了解决这个问题，可以采用射频电压来产生等离子体为了解决这个问题，可以采用射频电压来产生等离子体，所用的射频，所用的射频频率为频率为 13.56 MHz。第12页，共18页，编辑于2022年，星期六工作气体工作气体阴阴极极泵泵射频电射频电源源隔直流电容隔直流电容阳阳极极VbVa第13页，共18页，编辑于2022年，星期六直流偏直流偏压压第14页，共18页，编辑于2022年，星期六直流电位直流电位暗暗区区亮区亮区（等离子区）（等离子区）阴极阴极阳极阳极Z阴阴极极射频电射频电源源阳阳极极亮区亮区第15页，共18页，编辑于2022年，星期六 10.7 高密度等离子体高密度等
14、离子体 在集成电路制造工艺中，常常利用等离子体中离子轰击的物理作用在集成电路制造工艺中，常常利用等离子体中离子轰击的物理作用和游离基的化学作用。为了提高工艺效率，希望提高等离子体的密度。和游离基的化学作用。为了提高工艺效率，希望提高等离子体的密度。对等离子体施加额外的交变电场与交变磁场，使自由电子的运动路径复对等离子体施加额外的交变电场与交变磁场，使自由电子的运动路径复杂化，可以急剧增加电子的运动距离和碰撞次数，从而在相同或者更低杂化，可以急剧增加电子的运动距离和碰撞次数，从而在相同或者更低的气压与功率下增加离化率的气压与功率下增加离化率，提高等离子体的密度。，提高等离子体的密度。常用的高密度
15、等离子体有电子回旋共振等离子体（常用的高密度等离子体有电子回旋共振等离子体（ECR）和电）和电感耦合等离子体（感耦合等离子体（ICP）等。）等。第16页，共18页，编辑于2022年，星期六 1 1、平行磁场、平行磁场、平行磁场、平行磁场阴极阴极阳极阳极，方向为垂直穿出屏幕，方向为垂直穿出屏幕 2 2、垂直磁场、垂直磁场、垂直磁场、垂直磁场阴极阴极阳极阳极，方向为垂直向下，方向为垂直向下第17页，共18页，编辑于2022年，星期六 10.8 小结小结 本章论述了将作为后续章节基础的科学原理和技术，主要包括本章论述了将作为后续章节基础的科学原理和技术，主要包括 真空技真空技真空技真空技术术术术 和
16、和 等离子体技术等离子体技术等离子体技术等离子体技术 两部分内容。两部分内容。给出了气体分子动力学的一系列公式。介绍了关于真空的基给出了气体分子动力学的一系列公式。介绍了关于真空的基本知识，初、中真空使用旋转叶片泵、本知识，初、中真空使用旋转叶片泵、“O”形橡胶密封圈和热偶形橡胶密封圈和热偶真空计；高真空通常扩散泵、涡轮分子泵、吸附泵、钛升华泵或真空计；高真空通常扩散泵、涡轮分子泵、吸附泵、钛升华泵或溅射离子泵，金属对金属的密封和电离真空计。溅射离子泵，金属对金属的密封和电离真空计。介绍了等离子体和辉光放电的基本知识。对于导体材料可采用介绍了等离子体和辉光放电的基本知识。对于导体材料可采用直流等离子体，对于介质材料则必须采用射频等离子体。可以采用直流等离子体，对于介质材料则必须采用射频等离子体。可以采用施加额外的电场与磁场来产生高密度等离子体，从而获得高浓度的施加额外的电场与磁场来产生高密度等离子体，从而获得高浓度的游离基、自由电子与高浓度低能量的离子。游离基、自由电子与高浓度低能量的离子。第18页，共18页，编辑于2022年，星期六