电浆原理 for ASE Trainning

產生電漿的方式
DC Capacitive Charge-up
Plasma cloud
Gas ions + +
+
+
+
Surface charge
+++++
+++++++ +++++ Electrical insulator -----------------------DC voltage source
第四態 等離子
固態
→ 加熱
液態 → 加熱
氣態
→ 解離
電漿
電漿原理介紹
Gas Inlet MFC
解離反應
激發反應
e-+X2
e-+X
2X+eX*+eX2++2e2X++3e-
離子化反應 e-+X2 Throttle Valve e-+X2
Pump
DC Power
I. Principles of Plasma Generation
什麼是電漿？
離子
電子 光子
中性原子
氣體分子因光、放射線、電 子等具有能量的粒子衝撞而 激發、離子化(電子衝撞所 致氣體激發及離子化的現象 稱為放電)，因放電而激發 及離子化的氣體(ionized gas) 中，有中性分子、原子、各 種離子、電子，此為「電漿 狀態」。像這樣「氣體被離 子化後所產生的物質狀態」 與傳統的物質三態（即固、 液、氣態）明顯不同，被科 學家稱為物質的第四態，科 學家估計宇宙中百分之九十 九的物質是以電漿狀態存在。
RF Power Generators
132mm*38mm LCD顯示面板， 可同時監控所有相關數據。
Automatching Network 控制區 ，提供匹配網路之電容值調校。
Program程式選單
RF power控制
Automatching Networks
依據電磁波傳輸原理，要達到 最大的功率轉換效益，在電負載之間 的阻抗必需匹配。 市面上常見之RF Generator 設計之輸出端阻抗通常為50Ω，而負 荷端Plasma Reactor的阻抗通常僅有 僅有0.5~10Ω，此時就需要一個良好 的匹配網路系統來平衡負載之阻抗。
濺擊蝕刻(Sputter Etching) 將惰性的氣體分子如氬氣施以電壓，利用衍生的二次電子將氣體分子解離或激發成各種不同的 粒子，包括分子、原子團(Radical)，電子、正離子等，；正離子被電極板間的電場加速，即濺擊 被蝕刻物，具有非常好的方向性（垂直方向），較差的選擇性，因光阻亦被蝕刻，被擊出之物 質為非揮發性，又沈積在表面，困此在VLSI中很少被使用。
MW System
+ + +
B
Vacuum system
+ + - + ++ + + -
Plasma cloud
What is RF?
AC frequencies above 20 kHz (audio) AC frequencies below 300 MHz (microwave) FCC RF frequency ranges
High K.E
Necessary and Sufficient Enough collisions
自由路徑計算:
1mole Ar at 1atm. 25℃ → V=25.4L 0℃ → V=22.4L ∴1mole 25℃ 下空間的粒子密度 d=6.02x1023/25400c.c=2.37x1019 個/cm3 1個粒子在空間所佔的體積=πγ2λ γ 為粒子半徑 λ為運動路徑 λ 以Ar為例其原子半徑為3Å ∴其單顆原子截面積為=πγ2=2.8x10-15cm2/個 1cm3=2.37x1019 個x 2.8x10-15cm2/個xλ λ=15x10-6cm V=πγ2λ
PECVD (電漿輔助化學氣相沈積) 利用RF電漿及化學反應的方式，在反應器內，將反應物(通常是氣體)生成固態的生成物，並 沉積在晶片表面的一種薄膜沉積，除了一組真空系統來維持反應時所需的電漿外，最重要的 是必須要有一套良好之電漿產生器，利用電漿來幫助化學沉積反應的進行，並降低使反應發 生所須之溫度，圖示為簡單的典型PECVD結構系統圖。
40 400kHz 1.0 1.6 2.0 4.0 13.56 27.12 40.68 60 80 MHz
____________________________________________________________________________________________________ Medium Frequencies ISM Frequencies VHF Low Freq.
AC Capacitive Discharge
Plasma cloud
Gas ions + + +
+
+
Reduced surface charge
+---+----- +++-+----+----+ Electrical insulator -----------------------RF voltage source
50Ω
50Ω Coaxial
50Ω
Low Impedance
RF Generator
Cable
Match Box
Hale Waihona Puke Baidu
Cable Connector
Plasma Chamber
Sputter 鍍膜
濺鍍系統利用電漿所產生 之離子，藉著離子對被濺 鍍物體電極的轟擊，使電 漿內具有被鍍物的離子而 將產生鍍膜之效果。而傳 統之DC Sputtering所限於沉 積的薄膜材質是電的導體， 目前半導體製程的應用有 許多的非導體材料，藉由 RF Sputtering可得最佳之解 決方案，圖示為典型簡單 之RF Sputtering結構圖。
波義爾定義 P1V1=P2V2 Plasma working pressure about 25mtorr 25/760000=28.14/V1 V1=855456L(1mole粒子在25mtorr, 70℃下所佔的體積 d=6.02x1023/855456=7.04x1014個/c.c
λ=0.507cm 電漿環境中的平均自由路徑
– – – –
Low frequency: 30 kHz - 300 kHz Medium frequency: 300 kHz - 3 MHz High frequency: 3 MHz - 30 MHz Very high frequency: 30 MHz - 300 MHz
Many people call 13.56 MHz “RF”
電漿原理介紹簡報
Presented By Woody
10/02
簡報大綱
一.原理介紹
〄 〄 〄 〄 • 什麼是電漿 電漿原理介紹 產生電漿的方式 射頻產生器介紹 常見電漿應用及電漿源設計
三.電漿在封裝的應用
二.表面處理介紹
〄 〄 〄 〄 RF電漿的優點 電漿表面處理效應 乾濕式製程比較 電感偶合及電容偶合比較
反應性離子蝕刻(Reactive Ion Etching 簡稱RIE)
最為各種反應器廣泛使用的方法，便 使是結合(1)物理性的離子轟擊與(2)化 學反應的蝕刻。此種方式兼具非等向 性與高蝕刻選擇比等雙重優點，蝕刻 的進行主要靠化學反應來達成，以獲 得高選擇比。加入離子轟擊的作用有 二：一是將被蝕刻材質表面的原子鍵 結破壞，以加速反應速率。二是將再 沈積於被蝕刻表面的產物或聚合物 (Polymer)打掉，以使被蝕刻表面能再 與蝕刻氣體接觸。而非等向性蝕刻的 達成，則是靠再沈積的產物或聚合物， 沈積在蝕刻圖形上，在表面的沈積物 可為離子打掉，故蝕刻可繼續進行， 而在側壁上的沈積物，因未受離子轟 擊而保留下來，阻隔了蝕刻表面與反 應氣體的接觸，使得側壁不受蝕刻， 而獲得非等向性蝕刻。
eeneutral atom
+
( Kinetic Energy ) gained = F〃d = qξ〃λ = q ( V/de )λ
λ : mean free path ξ : electric field de : electrode distance V : electrode voltage
射頻產生器介紹
ISM(Industrial Scientific Medical)
are 13.56, 27.12 and 40.68MHz ISM frequencies are the preferred operating frequencies as here RF power is allowed to be radiated by the industrial process without any legal conflict. ( see CE- and other intern. laws ) ( 27.12 and 40.68MHz are harmonics of 13.56MHz and so make 13.56MHz the most practical operating frequencies as long a the process allows. All plasma processes generate harmonics ! ) The frequency tolerance allowed is 0.05% at 13.56 MHz and 0.5% at 27.12MHz. The frequency spectrum mainly used for Plasma Processing :
-- Plasma generation requires high kinetic energy. a. High voltage – to increase V b. Low pressure – to increase λ
eAr+ 2e2Ar+
4Ar+
4e-
8e-
-- High K.E. of electrons is necessary , but not sufficient.
ex:欲求1atm下X℃時1mole氣體在空間所佔的體積
(未打電漿前,chamber內的氣體視為理想氣體) 理想氣體 , PV=KT (K=constant , P=1atm) V1/V2=T1/T2 X℃=(273+X)K Plasma working temperature about 70~130℃令X=70℃ 22.4/V2=273/343 V2=28.14L
◎電漿性質
1.整體來說，電漿的內部是呈電中性的狀態，也就是帶負電粒子的密度與帶正電 粒子的密度是相同的。 2.因為電漿中正、負離子的個數幾乎是一比一，因此電漿呈現電中性。 3.電漿是由一群帶電粒子所組成，所以當有一部分受到外力作用時，遠處部份的 電漿，乃至整群的電漿粒子都會受到影響，這叫做「電漿的群體效應」。 4.具有良好的導電性和導熱性。
◎日常生活中的電漿
1.日常生活中最常見的日光燈，就是電漿的應用！當我們開燈時，點燈器會產生
極高的電壓，並產生電漿粒子，這些電漿粒子會轟擊燈管中的水銀蒸氣、螢光 物質，而使其發光。五顏六色的霓虹燈也是相同原理。 2.富士通（Fujitsu）於1993年發表的電漿顯示器（Plasma Display Pannel）， 其基本顯像原理：由前、後二塊玻璃基板夾成，玻璃上附有透明電極、誘電層、 保護層、紅綠藍三色螢光體等結構。這二塊玻璃基板中間的間隙只有0.1mm， 而在這0.1mm空間中填充了一種氣體。當施加電壓於電極上時，電極會放電而 產生紫外線光。而當紫外線光打擊到玻璃基板上的紅、綠、藍螢光物質時，這 些螢光物質就會產生紅、綠、藍三原色，這些紅綠藍三原色最後就合成各種彩 色影像。
HDP ICP TCP
高密度電漿
電感偶合式電漿（ICP）或稱之為變壓 器偶合電漿（TCP）。兩者在名稱上 雖有不同，其實為同一原理。為簡化 起見，以下統稱之為ICP。其原理如下， 電流流過一個線圈，利用此一線圈產 生之電感（Inductance） 來感應出一磁 場。此一磁場可以透過介質（如空氣， 真空或鐵磁心）產生次極（secondary） 感應電流，以電漿型式釋放出能量。 可藉由附圖（2）得到更進一步之瞭解， 致於如何將能量在低壓之狀況中釋出 而產生高密度高均勻度電漿即為科學 家所競相進求的目標，因此ICP高密度 電漿的基本原理乃是以磁場來產生偶 合。此一型式和傳統式的電漿系統比 較有幾項明顯的優點。因 ICP 之偶合 方式係藉由磁場所產生，由電磁理論 得知其電場，即離子加速方向，是以 環繞此一磁場且平行於晶片表面之切 線方向。所以當輸入之功率（通常以 RF之頻率為主）加大時，磁場與電場 皆相對增加，電漿內之離子加速方向 （因平行於晶片表面之切線方向）因 比較不易對晶片產生傷害。基於此一 優點，ICP的輸入功率可以達到相當高 的範圍。此優點之一。