什么是等离子体？刻蚀工艺为什么需要它

下面是等离子比较常见的解释：等离子体经常被称为物质的第四态。处于热平衡的某种固体随着温度升高通常会变成液体。如果温度继续升高,液体就会变成气体。当气体温度足够高时，气体中的分子就会分解为原子气。除了偶尔发生碰撞之外这些原子会在空间中随机地向各个方向自由运动。假如进一步升高温度，原子就会分解为带电的自由粒子(电子和正离子)，此时物质进入等离子体状态。宇宙中的大部分物质都处于等离子体状态,这是因为恒星和大多数星际物质都是等离子体。

图1 创生之柱

而在芯片制造刻蚀工艺中用到的等离子体有所不同：刻蚀工艺用到的等离子体是弱电离的(中性气体中只有很小一部分气体被电离了，带电粒子的密度远远小于的密度)。而且中性气体电离成等离子体(放电过程)是由外加电场驱动的而不是温度。外加电场的输入功率更多的传递给了电子，而较重的离子只有通过和中性气体分子碰撞才能有效的交换能量，导致电子的温度远大于离子的温度，Te>>Ti；所以用于芯片刻蚀工艺中的等离子体是低温弱电离等离子体。

下面再展开说说上述的等离子体是怎么完成刻蚀工艺的。

等离子体里面都有什么成分？以CF4气体为例(常用于硅的刻蚀)：

首先是放电过程：e + CF4→ 2e + CF3+ + F；

也会产生分解反应：e + CF4→ e + CF3 + F、e + CF4→ e + CF2 + 2F；

所以等离子体里面有电子e、放电产生的离子CF3+、化学活性粒子也叫自由基CF3、CF2、F，还有没被电离和分解的CF4(占未电离的气体占绝大部分，所以叫弱电离)。

化学活性粒子（CF3、CF2等）在刻蚀工艺中与被刻蚀薄膜参与反应，能够生成具有挥发性的产物，薄膜就被刻蚀掉了；而离子（如CF3+）起到的是轰击作用，离子在电场下被加速，以一定的能量轰击到被刻蚀的材料上以打破化学键，使自由基与薄膜的反应更快。

这里还要引入一个概念：钝化膜。钝化膜是通过在刻蚀气体中加入氧气，在刻蚀反应过程中生成C-O长链的聚合物并附着在材料上。

下图a是刻蚀的理想情况，待刻蚀材料被直直的刻下去，而实际上会因为离子的反射等出像b图一样的侧掏，导致刻蚀出的形貌偏离我们的要求。而钝化膜则避免了这一点，如图c所示，钝化膜在反应中形成，底部的钝化膜会不断被离子轰击开，继续向下刻蚀，而侧壁的钝化膜则起到了对侧壁的保护作用，同时，还能利用钝化膜来形成不同的形貌以满足工艺要求，如图中所示从上到小尺寸逐渐减小的形貌。

图2 (a)理想刻蚀形貌；(b)实际中可能出现的侧掏；(c)通过钝化膜控制刻蚀形貌

离子轰击和自由基的反应都是等离子体刻蚀中必不可少的，下图最左边的时间段表示在达到化学反应平衡的条件下，只用刻蚀气体XeF2，刻蚀硅时的速率；在下一时间段中，刻蚀速率增长了约十倍，,这是因为增加了氩离子对基片的轰击过（用氩离子对基片的轰击来模拟等离子体辅助刻蚀过程）；在最后一个时间段中，因为只存在由离子轰击基片产生的物理溅射，所以刻蚀速率非常低。

图3 化学反应与离子轰击对刻蚀速率的影响

下面再说一下等离子体刻蚀设备的简单原理，为什么能产生等离子体并且让离子加速。首先说明一个关键概念：鞘层。

图4 鞘层的产生模型

等离子体虽然是准电中性的，但它们和器壁之间会有一个薄的正电荷区,这个区域称为鞘层。为了了解鞘层的形成，我们首先注意到，由于电子的质量远小于离子的质量，并且电子的热运动速率至少是离子的热运动速率100倍。如上图a，考虑一个宽度为l，初始密度为 ne=ni 的等离子体，它被两个接地的极板包围，这两个极板都具有吸收带电粒子的功能。由于净电荷密度ρ=e(ni - ne)为零，在各处的电势和电场都为零。所以具有较高速度的电子不会受到约束，而会迅速冲向极板并消失掉。于是经过很短的一段时间后，器壁附近的电子损失掉，形成如上图 (b)所示的情况：在器壁附近会形成一个很薄的正离子鞘层，在这个鞘层中ni>>ne。所以有净电荷密度ρ存在。该电荷密度产生了一个在等离子体内部为正的、而在鞘层两侧迅速下降为零的电势分布。因为在鞘层里的电场方向指向器壁，这个电势分布是一个约束电子的势阱，但对离子而言,它像一个“山峰”。加在电子上的力-eE指向等离子体内部，会把向器壁运动的电子拉回到等离子体之中。它对离子的作用恰好相反：进人鞘层的离子会被加速打向器壁。以上鞘层的形成就是等离子体中的离子轰击作用产生的原因。

下面简单说一下等离子设备的简单原理。以容性等离子体设备为例，称之为容性，是因为其放电系统类似于由上下极板组成的平板电容。特定频率的射频电源加在上下极板上，产生了“瞬时”电场的影响，易动的电子会在由正离子组成的空间电荷云内做周期性运动。质量庞大的离子只受时间平均电场的影响。电子云的周期运动在每个电极附近产生鞘层。在这个鞘层里，一个周期内的平均正电荷数目会多于负电荷数目，从而导致鞘层区内出现净正电荷。

图5 容性等离子体设备的简单模型

该净电荷在鞘层中产生一个由等离子体指向电极方向的强大电场。从主等离子体区流入鞘层中的离子会被这个鞘层内的电场加速获得较高能量，并打击放置于极板上的wafer。随着工艺要求的逐渐增加，刻蚀设备的原理和构造远不止这么简单，除了容性放电还有感性放电，射频电源也不止一个，可以分别控制等离子密度和离子轰击能量。