等离子腐蚀技术

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1、等离子体腐蚀技术实验讲义编写：王中文一、实验目的1．了解等离子体腐蚀的基本原理2．熟悉用氧等离子体去胶的基本原理二、实验设备及材料等离子体发生器，机械泵，硅片，氧气三、等离子体腐蚀的基本原理及实验步骤1、等离子体——物质的第四态概述物质有三态：固态、液态和气态，这是大家熟知的，然而近些年来，物质的第四态——等离子态已日益引起人们的重视。我们知道一般来说温度越高、物质的粒子越活跃：在固体中原子和分子等质点是有规则地整齐排列；在液体中这些质点可以运动，但是受到一定的限制；在气体中分子或原子能自由运动，但是在原子内部的电子只能沿量子力学确定的“轨道”有规则地运动；而在等离子体内，一些电子已经脱

2、离原子，并且能够完全自由运动，失去一部分电子的原子和分子带有正电荷，即称正离子，而原子和分子也可与自由电子结合而带有负电荷，即称负离子。等离子体就是由正离子、负离子、自由电子等带电粒子以及不带电的中性粒子如激发态分子，自由基等组成的气体，由于其正负电荷相等，所以叫等离子体。同时由于自由运动的电子可以传递电流，所以等离子体也就是导电的气体。2、通常使气体产生电离有如下三种方法：（a）热致电离；（b）辐射电离；（c）放电电离3、等离子体去胶的优点在半导体器件和集成电路制造工艺中，用等离子体去胶工艺代替常规的化学溶剂及高温氧化去胶具有许多优点。我们知道，常规的化学溶剂去胶需用发烟硝酸或其它化学

3、溶剂(如硫酸或铬酸洗液等)浸泡，还要用丙酮棉擦胶，这不仅废酸容易造成公害，而且常常由于擦胶划伤硅片而影响器件的质量及可靠性，采用等离子去胶则克服了这些缺点。在集成电路多层布线工艺中，若用等离子体去胶代替高温氧化去胶，可解决一次布线的铝层发黄问题，从而保证了二次布线的欧姆接触，提高布线的合格率，为大规模集成电路的发展提供了有利的条件。而且等离子体去胶工艺还具有操作简单、成本低，去胶速率高等优点。4、等离子体腐蚀的装置等离子体腐蚀的装置如图1所示。为了获得长的径向均匀的等离子工作区，根据高频放电理论，可采用高频电容型放电结构，气体等离子体产生的过程是：低压气体在高频电场作用下放电，产生离子和

4、自由电子以及自由基等，自由电子被电场加速，当其能量大于电离能的二倍时，这些高能电子与气体分子碰撞，就能打出新的电子，使气体分子发生电离，产生更多的电子，这些电子被电场加速后，又与气体分子碰撞，致使整个气体分子发生电离，从而把气体变成等离子体。低压气体通过开孔多层的石英毛细管进入Φ100毫米的石英管道，环形外电极间距可为100—200毫米，振动频率为12兆赫这个系统工作稳定，均匀性、重复性良好。5、气体放电化学作用的基本过程我们知道，在高频电场作用下，气体放电形成等离子化的过程大致包含如下的基本过程：气体分子的各种类型的电离(如放电电离、热致电离等)；高能粒子对气体分子或原子的直接作用；热

5、激发效应；短波辐射——光化学效应、带电粒子和激发粒子(分子、自由原子、自由基)的形成效应；以及带电粒子的再结合(阳离子与电子，以及阳离子与阴离子)等过程。由此可见，在气体放电过程中可以形成各种粒子：电子、正、负离子(原子或分子的)、激发态的分子、自由原子以及自由基等。气体放电化学作用的过程是极其复杂的，这不仅反映在放电化学作用理论的形形色色，而且反映在放电化学反应产物的复杂和多种多样，例如四氟甲烷CF4放电反应产物中经红外分析证明有四氟乙烯基础，把化学活性归之于某种贮存有巨大能量的活性粒子。为了说明放电的化学作用，最早提出的是光化学理论，它认为放电的化学作用（如无声放电中臭氧的生成），是

6、由伴随放电的紫外线产生的作用，但这与实际事实不符，因为单纯由光化学方法形成的臭氧比在放电中微小得多。随后人们又提出了放电化学作用的离子学说，它把化学活性归之为离子，认为化学反应的进行有赖于离子的形成，但是离子的化学活性与以下的事实有矛盾：即许多放电反应的能量比按电离所用去能量的理论计算值要大2～5倍，这说明离子不能是放电中的化学活性粒子。因此人们又提出了放电中除了形成正、负离子、电子外还形成了激发态分子，自由原子，自由基的理论。实验事实证明，放电化学反应中起化学活性作用的粒子不是离子，而是一些不带电荷的粒子——激发态的分子、自由原子以及自由基。激发分子的形成，一种方式是由阳离子与电子或与

7、阴离子的中和作用，而得到高度激发态的分子，另一方式是由高能粒子(如高能电子)与气体分子碰撞的直接激发作用。当高能电子的能量小于气体分子的电离能时，尽管这时电子与气体分子发生碰撞，但分子不能被电离，这时只能使分子处于激发状态，即形成激发分子，在气体放电中除了产生电子、正负离子和激发分子外，还可产生中性的自由原子、自由基。通常激发态分子发生解离可形成自由基和稳定的分子产物。一般认为自由基、自由原子的形成在放电化学作用过程中起着特别重要的