圖1 一種容性耦合等離子體放電現(xiàn)象
由于刻蝕過程中復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)， 不同中性粒子、帶電粒子間的場(chǎng)(電場(chǎng)，流場(chǎng)，力場(chǎng)等)的相互作用，使得plasma刻蝕很難描述。一些文章中都是針對(duì)初學(xué)者簡(jiǎn)單的介紹了等離子體刻蝕中的主要幾個(gè)過程，但是對(duì)于原理性的描述非常有限。Nasser, “Fundamentals of Gaseous Ionization and Plasma Electronics”, John Wiley & Sons, 1971，Chapman, “Glow Discharge Processes”, John Wiley & Sons, 1980兩本經(jīng)典書籍全面的介紹了等離子體的基本物理定律和現(xiàn)象。物理和工程領(lǐng)域的相關(guān)人員可從此兩本書中了解等離子體技術(shù)。
容性耦合等離子體(CCP)
圖2 等離子體中的激發(fā)碰撞與光譜輻射
圖3 常用CCP源的腔室結(jié)構(gòu)
容性耦合等離子體放電氣壓范圍往往從幾個(gè)毫托到幾百毫托，因?yàn)殡娮淤|(zhì)量遠(yuǎn)低于離子質(zhì)量，電子可以運(yùn)動(dòng)更遠(yuǎn)更長(zhǎng)的距離并與氣體和器壁進(jìn)行碰撞，電離出更多的電子和離子。而器壁周圍因?yàn)殡娮佑坞x只留下笨重的離子，但整個(gè)腔室必須保證電中性，故必然會(huì)在器壁形成一種結(jié)構(gòu)來(lái)阻擋電子繼續(xù)在器壁周圍的電離，而這種結(jié)構(gòu)平衡了等離子體的電中性特性。這種結(jié)構(gòu)即鞘層，鞘層可認(rèn)為前面所說(shuō)的電容器，因?yàn)殡娙萜魈幱诜烹姯h(huán)境中，表面有電荷積累，就形成了一個(gè)電場(chǎng)，一個(gè)電場(chǎng)必然對(duì)應(yīng)一個(gè)電壓，因?yàn)殡娙萜髦車_(dá)到的電荷積累動(dòng)態(tài)平衡，故這個(gè)電場(chǎng)，電壓為動(dòng)態(tài)的靜電場(chǎng)，即直流電場(chǎng)和直流電壓，故VDC形成。因?yàn)榍皇覂?nèi)壁接地，而形成的偏壓電場(chǎng)為阻止電子，故對(duì)地內(nèi)壁而言此VDC為負(fù)值，即負(fù)偏壓。在電極上此負(fù)偏壓與射頻電壓一起形成了復(fù)合電壓，如下圖。
2. 1VDC該公式可適用于任何電極結(jié)構(gòu)，如果電極1加載功率，電極2接地，其VDC形成如下圖所示。
2.1.2.1 電負(fù)性氣體是一個(gè)主要因素，當(dāng)其他過程參數(shù)保持一定時(shí)，氣體的電負(fù)特性將決定VDC。地電負(fù)性氣體如O2，N2有較高的負(fù)偏壓VDC，含F(xiàn)，Cl，Br的氣體有更強(qiáng)電負(fù)性，因?yàn)閂II族的元素很容易吸附自由電子。因子在含F(xiàn)，Cl，Br的氣體中電子密度會(huì)大大降低。含F(xiàn)比含Cl氣體電負(fù)性更強(qiáng)， SF6為典型的電負(fù)性氣體。
2.1.2.2 氣壓也影響VDC，高氣壓，更多的分子、原子與電子碰撞，產(chǎn)生新的電子和離子，因此通過提高氣壓，增加更多的自由電子，提高了負(fù)偏壓。另一方面，氣壓增加，密度增加，電子的平均自由程降低，在和分子碰撞之前，電子獲得能量減小，導(dǎo)致新的電子、離子減少。因此兩個(gè)方面相反的趨勢(shì)，對(duì)于等離子體刻蝕，可以看到，1-100mT范圍內(nèi)，等離子密度隨氣壓增加而增加，但更高的氣壓，密度隨氣壓增加而降低。VDC也與自由電子能量相關(guān)，高氣壓，電子碰撞增加，電子能量因碰撞而降低。考慮到這些機(jī)制，我們可以理解VDC隨氣壓增加并不會(huì)持續(xù)增加。
功率
2.1.2.4當(dāng)Wafer放置在下電極上，可以在等離子體和Wafer之間得到較高的電壓降即VDC。當(dāng)電負(fù)性氣體添加時(shí)，在低氣壓下，我們可以獲得高的電壓降VDC，對(duì)于高功率，RIE反應(yīng)離子刻蝕，我們可以通過以上途徑獲得高VDC。如果要獲得低的VDC則從反方向條件著手。
刻蝕機(jī)制
通常，等離子體刻蝕是化學(xué)刻蝕，不是物理刻蝕，這意味著固體原子與氣體原子反應(yīng)形成化學(xué)分子，然后從基片表面移除形成刻蝕。因?yàn)閂DC的存在，通常存在一定的基片濺射，對(duì)于大量的刻蝕，物理刻蝕效應(yīng)很弱可以被忽略。
1. 2. 3. 表面化學(xué)吸附反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，并形成反應(yīng)產(chǎn)物；
解吸附化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物，并在Wafer表面移除，抽離腔室；
圖6 等離子體刻蝕基本機(jī)制
對(duì)刻蝕的影響
刻蝕速率，因?yàn)殡娮用芏群湍芰颗cVDC相關(guān)聯(lián)，故以上的化學(xué)反應(yīng)過程與速率相對(duì)應(yīng)；
離子轟擊可以造成Wafer表面的建設(shè)損傷；而離子轟擊的能量與VDC相關(guān),VDC越高轟擊越強(qiáng)；
離子轟擊還會(huì)對(duì)刻蝕形貌有一定的影響等等
對(duì)于非易揮發(fā)性副產(chǎn)物，通過一定的離子轟擊可以將副產(chǎn)物解離形成易揮發(fā)性產(chǎn)物，使本身在易在Wafer表面已形成的膜層消失；
圖7 離子轟擊作用
感應(yīng)耦合等離子體(ICP)
兩種類型的感應(yīng)耦合等離子體源：采用柱形和平面結(jié)構(gòu)，如圖8所示。射頻電流流經(jīng)線圈在腔室內(nèi)產(chǎn)生電磁場(chǎng)激發(fā)氣體產(chǎn)生等離子體，偏壓源控制離子轟擊能量。通過這種方式，可以獨(dú)立的控制等離子體密度和離子的轟擊能量。因此ICP刻蝕機(jī)提供了更多的調(diào)控手段。
圖8 兩種方式的ICP結(jié)構(gòu)
用于等離子體刻蝕的ICP源通常為平面結(jié)構(gòu)，該方式容易獲得可調(diào)的等離子體密度和等離子體均勻性分布，此外平面ICP源使用的介質(zhì)窗也易于加工。石英和陶瓷是常用的介質(zhì)窗材料。
此外感應(yīng)耦合ICP源也存在容性耦合，介質(zhì)窗作為線圈和等離子體之間的耦合層是作為一個(gè)電容器存在，在線圈的輸出端電壓達(dá)到2000V時(shí)，容性耦合將會(huì)形成。這個(gè)容性高壓可以點(diǎn)燃和維持等離子體放電，另一方面，局部高壓的形成也會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)窗的刻蝕，導(dǎo)致顆粒的產(chǎn)生或者造成晶圓的污染。為了減小容性耦合，通常采用法拉第屏蔽或者在線圈末端串聯(lián)接地電容的方式。
