Daniel M

Daniel M. Dobkin 作 著 丹 尼 爾 杜 部 金 翻 譯 劉 孟 庸 化 學 氣 相 沉 積 : 高 密 度 電 漿 源 電 容 式 二 極 體 電 漿 源 常 見 於 化 學 氣 相 沉 積, 其 反 應 腔 製 造 簡 單 並 且 具 備 多 種 功 能, 但 是 也 有 些 限 制 增 加 射 頻 功 率 未 必 能 增 加 電 漿 密 度 : 尤 其 在 低 壓 下 增 加 的 功 率 並 無 助 於 氣 體 離 子 化, 只 是 徒 然 浪 費 在 漸 增 的 離 子 轟 擊 和 熱 電 子 產 生 上 電 漿 電 位 位 於 電 漿 與 腔 壁 間 的 平 均 電 位 可 以 達 到 非 常 高, 因 而 導 致 腔 壁 被 濺 擊 和 基 材 被 污 染 為 了 要 克 服 這 些 缺 點 於 是 就 有 替 代 電 漿 源 的 問 世 本 文 介 紹 三 種 替 代 電 漿 源, 微 波 感 應 偶 合 式 和 電 子 迴 旋 共 振, 其 中 後 兩 者 被 用 來 產 生 高 密 電 漿 源 磁 場 和 電 漿 : 磁 控, 磁 場 增 強 反 應 性 離 子 蝕 刻, 電 子 迴 旋 共 振 運 動 中 的 電 子 若 遇 到 磁 場, 則 此 電 子 會 受 到 與 其 前 進 方 向 垂 直 的 力 ; 為 方 便 說 明, 這 時 所 討 論 的 磁 場 被 稱 為 第 一 磁 場 勞 倫 茲 定 律 : 力 等 於 負 電 子 電 量 乘 以 速 度 和 磁 場 強 度 的 旋 度 因 為 電 子 感 受 到 的 力 的 方 向 一 直 保 持 與 電 子 前 進 方 向 垂 直, 所 以 電 子 圍 繞 磁 力 線 第 一 磁 場 沿 著 圓 形 的 軌 跡 旋 轉 改 變 電 子 速 率 就 改 變 軌 跡 的 半 徑, 但 不 改 變 旋 轉 的 週 期 : 不 論 速 率 為 何, 所 有 的 電 子 都 以 同 樣 頻 率 稱 為 拉 默 爾 頻 率 旋 轉

稱 為 拉 默 爾 頻 率 旋 轉 B (Gauss) 磁 場 高 斯 頻 率 拉 默 爾 頻 率 等 於 電 子 電 量 乘 以 磁 場 強 度 再 除 以 電 子 質 量 100 1000 280 MHz 百 萬 赫 茲 2.8 GHz 十 億 赫 茲 如 果 氣 壓 很 低 低 到 能 夠 讓 電 子 沿 著 軌 跡 旋 轉 一 周 而 不 會 與 氣 體 發 生 碰 撞, 這 時 候 若 有 外 加 的 第 二 個 電 磁 場 導 入 反 應 腔 內 且 其 頻 率 恰 等 於 拉 默 爾 頻 率, 則 旋 轉 電 子 與 此 電 磁 場 同 相 共 振 ; 共 振 時 電 磁 場 第 二 電 磁 場 傳 遞 能 量 予 旋 轉 電 子, 這 是 迴 旋 加 速 器 的 原 理, 同 樣 的 原 理 也 應 用 在 電 子 迴 旋 共 振 電 漿 源 注 意 在 右 圖 中 電 子 沿 著 與 電 場 反 方 向 加 速, 這 是 因 為 電 子 帶 負 電 的 緣 故 外 加 磁 場 第 一 磁 場 對 電 漿 的 影 響 是 侷 限 電 漿 電 子 行 進 的 方 向 : 電 漿 電 子 被 迫 沿 著 磁 場 方 向 以 螺 旋 狀 繞 著 磁 場 行 進, 而 不 是 毫 無 拘 束 地 擴 散 到 腔 壁 因 氣 體 離 子 有 較 大 的 拉 默 爾 旋 轉 半 徑 和 較 短 的 平 均 自 由 路 徑, 所 以 氣 體 離 子 不 易 受 磁 場 影 響 職 是 之 故, 隨 著 電 子 平 均 自 由 路 徑 的 增 長, 熱 電 子 解 離 氣 體 的 機 率 也 相 對 地 提 高 磁 化 的 電 漿 在 極 低 的 氣 體 壓 力 幾 毫 扥 下 也 能 維 持, 但 是 假 若 換 成 傳 統 電 容 式 電 漿 源 則 很 難 點 燃 啟 動 ; 磁 控 濺 擊 和 磁 場 增 強 反 應 性 蝕 刻 正 是 利 用 極 低 壓 電 漿 的 兩 個 例 子 磁 場 迫 使 二 次 電 子 沿 磁 場 方 向 行 進 : 離 子 化 碰 撞 的 機 會 大 增 磁 化 電 漿 容 易 有 電 漿 密 度 不 均 勻 的 情 形, 因 為 磁 場 強 度 隨 地 而 變 這 就 造 成 了 極 大 的 電 漿 電 位 差 : 由 於 電 子 傾 向 於 沿 著 磁 力 線 方 向 行 進, 電 子 就

不 太 容 易 在 磁 力 線 與 磁 力 線 間 橫 向 移 動 來 平 衡 電 漿 電 位 差 此 種 電 漿 電 位 差 的 非 均 勻 性 與 電 漿 損 害 有 很 重 要 的 關 聯 電 磁 感 應 偶 合 式 電 漿 源 在 介 電 腔 例 如 石 英 管 周 圍 被 纏 繞 著 螺 旋 狀 的 線 圈, 然 後 通 入 射 頻 電 壓 線 圈 中 的 電 流 感 應 出 垂 直 方 向 z 軸 的 磁 場 藉 著 此 感 應 出 的 交 流 磁 場 接 下 來 感 應 出 也 是 隨 時 間 變 化 的 電 場 電 場 圍 繞 著 螺 線 管 電 場 強 度 與 輻 射 半 徑 和 頻 率 成 正 比 正 方 位 的 電 場 在 電 漿 中 感 應 出 一 個 環 狀 電 流 環 狀 電 流 的 電 子 受 到 電 場 的 作 用 而 獲 得 高 能 量 以 致 於 能 夠 解 離 氣 體, 因 此 維 持 了 電 漿 的 密 度 一 旦 電 漿 形 成 後, 磁 場 會 受 到 感 應 電 流 的 屏 蔽, 如 同 在 金 屬 中 受 影 響 一 樣 : 在 運 作 過 程 中 磁 場 穿 透 腔 壁, 其 穿 透 厚 度 由 趨 膚 深 度 來 決 定, 而 趨 膚 深 度 與 電 漿 導 電 係 數 有 關, 而 電 漿 導 電 係 數 又 與 電 漿 密 度 成 正 比 H = 高 度 R = 半 徑 N = 匝 數 密 度

剛 啟 動 電 磁 感 應 偶 合 式 電 漿 源 時 會 碰 到 一 個 問 題 : 剛 啟 動 時 並 沒 有 電 漿, 沒 有 電 漿 表 示 沒 有 自 由 電 子, 所 以 既 使 有 感 應 電 場, 沒 有 自 由 電 子 就 無 法 形 成 電 流, 沒 有 電 流 就 不 會 消 耗 能 量 這 問 題 本 身 就 提 供 了 解 決 的 方 案 : 沒 有 電 漿 就 不 會 消 耗 能 量, 能 量 囤 積 就 越 來 越 多 藉 著 一 個 設 計 良 好 的 阻 抗 匹 配 電 路, 儲 存 在 螺 線 管 電 感 中 的 無 效 功 率 漸 漸 增 大, 因 而 致 使 橫 跨 螺 線 管 線 圈 兩 端 的 電 壓 也 增 大 其 中 一 部 分 電 壓 以 電 容 耦 合 的 方 式 出 現 在 腔 壁 內, 同 時 在 腔 壁 內 就 有 電 場 出 現 當 電 場 夠 大 時 傳 統 的 氣 體 崩 潰 隨 之 發 生, 電 漿 因 而 產 生, 電 漿 是 以 電 容 耦 合 的 方 式 產 生 並 且 產 生 在 極 不 規 則 的 幾 何 區 域 內 ; 這 時 候 整 個 系 統 是 在 電 容 耦 合 的 模 式 下 操 作 當 能 量 持 續 增 加 使 得 電 漿 密 度 不 斷 被 提 高, 提 高 到 感 應 環 狀 電 流 能 夠 形 成 通 路, 這 時 候 系 統 會 切 換 大 多 數 時 候 突 然 切 換 到 真 正 的 電 感 耦 合 的 模 式 下 操 作, 此 時 電 漿 中 的 輝 光 放 電 的 亮 度 會 極 劇 增 加 電 感 式 電 漿 源 產 生 電 子 和 離 子 要 比 電 容 式 電 漿 源 有 效 得 多, 而 且 在 極 低 壓 下 幾 毫 扥 也 能 達 到 每 立 方 公 分 一 兆 個 離 子 的 密 度, 比 同 等 級 的 電 容 式 電 漿 源 的 密 度 要 高 一 百 倍 以 上 電 感 式 電 漿 源 有 相 當 低 的 電 漿 電 位, 所 以 當 離 子 轟 擊 晶 圓 表 面 時, 晶 圓 表 面 經 歷 的 電 漿 損 傷 近 乎 難 尋 如 果 在 晶 圓 基 材 通 上 射 頻 偏 壓, 那 麼 就 可 以 調 整 轟 擊 離 子 的 能 量 並 且 對 電 漿 密 度 幾 乎 沒 有 影 響 裝 置 射 頻 偏 壓 的 電 感 式 電 漿 源 能 夠 允 許 電 漿 參 數 和 離 子 轟 擊 能 量 互 不 干 擾 地 被 調 整, 而 且 能 被 調 整 的 範 圍 比 起 雙 頻 和 傳 統 的 單 頻 電 容 式 電 漿 源 更 廣 電 感 式 電 漿 源 的 特 點 :

簡 單 : 基 本 上 您 只 需 要 銅 線 圈 電 源 供 應 器 阻 抗 匹 配 電 路 和 冷 卻 系 統 ; 零 件 材 料 花 費 少 而 且 要 達 到 最 佳 化 的 設 計 也 非 難 事 多 樣 性 : 線 圈 可 以 纏 繞 成 螺 線 管 的 形 狀 纏 繞 成 扁 平 狀 螺 旋 形 的 薄 烤 餅 變 壓 器 耦 合 式 電 漿 源 或 圍 著 半 圓 的 圓 頂 纏 繞 電 容 耦 合 模 式 的 必 要 : 在 電 感 器 裡 的 射 頻 電 流 會 產 生 電 壓, 部 分 電 壓 以 電 容 耦 合 的 方 式 在 電 漿 中 出 現 在 前 面 提 及 啟 動 時 所 遇 到 的 問 題, 就 是 用 電 容 耦 合 的 方 式 產 生 電 漿 來 克 服, 但 同 時 也 使 電 漿 電 位 提 高 您 可 以 採 用 法 拉 第 遮 蔽 層 來 減 少 電 容 耦 合 的 效 應, 如 此 一 來, 您 可 能 需 要 額 外 的 輔 助 啟 動 裝 置 溫 度 過 高 : 線 圈 發 散 許 多 熱 讓 線 圈 冷 卻 下 來 而 不 至 於 造 成 線 圈 短 路 可 能 不 太 容 易 在 高 氣 壓 時 電 漿 能 量 也 會 集 中 在 線 圈 附 近 ; 以 上 兩 種 現 象 一 起 作 用 時 會 使 腔 壁 絕 緣 體 爆 裂 石 英 或 陶 瓷 常 發 生 電 漿 中 的 電 磁 場 電 磁 波 若 頻 率 太 低 則 無 法 在 電 漿 中 傳 播, 定 被 反 射 電 磁 波 若 頻 率 太 高, 則 電 漿 電 子 不 會 對 電 磁 波 有 任 何 反 應, 電 磁 波 在 電 漿 中 能 夠 暢 行 無 阻 區 分 以 上 兩 著 的 頻 率 被 稱 為 電 漿 頻 率 具 有 電 漿 頻 率 的 電 磁 波 能 夠 稍 微 穿 入 電 漿 些 許 距 離

電 漿 頻 率 在 一 般 實 驗 室 所 常 見 的 電 漿 濃 度 下 範 圍 從 一 百 百 萬 赫 茲 到 幾 十 億 赫 茲 在 大 氣 層 中 的 離 子 層, 其 稀 化 電 漿 反 射 低 頻 電 磁 波, 使 得 調 幅 廣 播 電 台 讓 非 直 視 性 的 聽 眾 也 能 收 聽 到 廣 播 注 意 高 密 度 電 漿 的 趨 膚 深 度 非 常 薄 : 低 頻 電 磁 波 無 法 加 熱 大 部 分 電 漿 有 趣 的 是 在 電 漿 中 傳 播 的 電 磁 波, 當 頻 率 稍 微 高 於 電 漿 頻 率 時 相 對 的 相 位 速 度 趨 於 無 限 大, 在 另 一 方 面 當 頻 率 增 加 相 對 的 相 位 速 度 慢 慢 趨 近 光 速 在 電 漿 頻 率 時 成 群 速 度 載 波 速 度 為 零, 然 後 成 群 速 度 隨 著 頻 率 增 加 而 增 加 微 波 電 漿 源 高 頻 電 磁 波 可 以 被 利 用 來 直 接 對 電 漿 電 子 加 熱, 而 不 會 被 電 漿 反 射 : 也 就 是 說 我 們 選 擇 的 頻 率 大 於 電 漿 頻 率 時, 電 磁 波 就 能 夠 輕 易 地 穿 透 電 漿 為 了 讓 電 磁 波 不 停 地 提 供 能 量 給 電 漿, 必 須 要 發 生 碰 撞 否 則 在 前 半 週 期 電 漿 電 子 獲 致 的 能 量 會 在 後 半 週 期 被 電 磁 波 拿 回 去 碰 撞 頻 率 隨 著 氣 體 壓 力 增 加

因 此 對 任 何 一 個 頻 率 都 有 相 對 的 最 佳 操 作 壓 力, 目 的 是 為 了 最 大 的 能 量 轉 移 微 波 電 漿 通 常 被 侷 限 在 充 填 著 少 量 氣 體 的 介 質 管 內, 而 介 質 管 置 於 微 波 共 振 腔 壁 的 中 心 為 了 啟 動 時 所 需 的 崩 潰 電 場, 低 散 失 系 統 高 Q 因 子 是 必 要 的 共 振 腔 尺 寸 大 小 的 設 計 必 須 多 方 面 的 考 量, 最 主 要 的 目 的 是 為 了 在 指 定 的 操 作 頻 率 下 能 夠 保 持 共 振 如 果 電 漿 所 佔 的 體 積 很 小, 小 到 對 共 振 頻 率 影 響 也 小, 那 麼 共 振 腔 的 尺 寸 可 以 在 不 考 慮 電 漿 所 佔 的 體 積 的 情 況 下 來 預 估 譬 如 一 個 很 高 的 共 振 腔 高 度 > 半 徑, 它 的 最 低 基 本 模 式 是 橫 截 電 場 111 模 式, 它 的 頻 率 如 右 所 示 d = 高 度 ; a = 半 徑 ; p11 為 第 一 貝 索 函 數 的 導 數 的 第 一 零 值 物 理 : 基 本 模 式 頻 率 大 約 和 c/d 成 正 比, 其 中 d 為 特 徵

尺 寸 而 c 為 光 速 為 了 要 得 到 2.45 十 億 赫 茲 工 業 界 常 用 的 頻 率 我 們 要 求 d=6 公 分 微 波 電 漿 源 的 特 性 乾 淨 : 在 整 個 系 統 中 只 有 石 英 管 和 電 漿 接 觸 無 電 極 ; 無 金 屬 與 電 漿 接 觸, 無 形 成 濺 擊 的 高 電 壓 存 在 精 巧 : 體 積 很 小 的 電 漿 源 很 容 易 被 製 造 ; 這 類 電 漿 源 被 裝 置 在 一 個 較 大 的 腔 壁 上, 裝 置 簡 單, 其 目 的 是 為 了 提 供 清 潔 腔 壁 的 反 應 氣 體 或 是 遙 控 電 漿 之 用 高 密 度 : 既 使 在 高 密 度 電 漿 下, 高 頻 電 磁 波 也 能 繼 續 不 斷 地 穿 透 電 漿 和 加 熱 電 子 2.45GHz 的 激 發 頻 率 會 產 生 接 近 每 立 方 公 分 10 11 個 離 子 的 密 度 非 均 勻 性 : 振 蕩 模 式 場 若 恰 在 腔 壁 時 其 值 為 零, 同 時 間 高 階 共 振 的 節 點 也 在 腔 壁 內 不 同 的 地 點 出 現 實 在 很 難 在 一 廣 大 的 區 域 內 建 立 起 均 勻 的 電 漿 電 子 迴 旋 共 振 電 漿 源 前 面 提 到 電 子 在 磁 場 中, 不 論 電 子 速 度 和 能 量 大 小, 均 以 固 定 的 頻 率 迴 旋 : 因 此 在 共 振 的 頻 率 下, 由 磁 場 而 生 的 電 場 會 加 速 迴 旋 的 電 子, 於 是 就 有 了 電 子 迴 旋 共 振 電 漿 源 的 產 生 電 子 在 磁 場 中 沿 著 圓 形 的 軌 跡 旋 轉 一 般 而 言, 一 個 線 性 偏 振 的 電 磁 波 能 夠 被 視 為 兩 個 圓 偏 振 電 磁 波 的 組 合 如 果 微 波 頻 率 與 電 子 的 拉 默 爾 頻 率 一 致 時, 與 電 子 一 同 旋 轉 的 圓 偏 振 電 場 就 會 不

停 地 供 應 能 量 給 電 子 這 種 現 象 發 生 在 共 振 區, 通 常 共 振 區 被 選 在 螺 線 管 線 圈 所 產 生 的 磁 場 中 心 注 意 在 這 裡 能 量 的 轉 移 並 不 涉 及 到 碰 撞, 所 以 和 傳 統 的 微 波 放 電 有 所 不 同 講 到 此 處 相 信 大 家 應 該 明 白 在 極 低 的 氣 壓 下 電 子 迴 旋 共 振 電 漿 源 能 夠 維 持 的 原 因 在 低 氣 壓 下 電 漿 電 子 被 迫 沿 著 磁 力 線 行 進, 而 離 子 跟 隨 著 電 子 為 了 要 保 持 電 中 性 的 平 衡 因 此 在 接 近 晶 圓 表 面 電 漿 會 受 到 磁 場 分 佈 的 影 響 職 事 之 故 另 一 組 線 圈 放 置 在 晶 圓 基 座 的 附 近, 目 的 就 是 為 了 要 改 變 磁 場 的 分 佈 電 子 跟 隨 磁 場, 離 子 跟 隨 電 子 電 子 被 電 場 的 右 旋 分 量 加 熱

電 子 迴 旋 共 振 電 漿 源 的 特 性 優 點 : 容 許 低 壓 : 能 量 不 會 返 回 到 電 磁 場, 像 單 純 的 微 波 情 況 一 般 ; 並 不 需 要 經 常 碰 撞, 低 氣 壓 不 是 問 題 均 勻 性 : 共 振 區 是 由 磁 場 所 決 定 不 是 由 微 波 反 射 所 決 定 : 因 此 能 夠 在 比 較 大 的 區 域 內 形 成 均 勻 的 電 漿 高 密 度 : 在 共 振 區 內 連 續 的 電 子 加 熱 提 供 了 高 效 率 的 能 量 傳 遞 予 電 漿 ; 磁 場 阻 止 了 電 漿 對 甚 至 低 於 電 漿 頻 率 的 入 射 微 波 的 屏 蔽 高 達 每 立 方 公 分 10 12 個 離 子 的 密 度 是 可 行 的 可 調 整 : 電 漿 電 子 和 離 子 沿 著 磁 力 線 向 晶 圓 擴 散 在 接 近 晶 圓 表 面 電 磁 場 的 分 佈 可 由 第 二 組 線 圈 來 調 整, 調 整 的 目 的 是 為 了 達 到 均 勻 的 離 子 轟 擊 和 缺 點 : 電 晶 體 失 敗 : 磁 力 線 限 制 了 電 漿 電 子 的 橫 向 擴 散, 因 此 電 漿 電 位 無 法 達 成 均 勻, 所 以 導 致 了 電 漿 損 傷 迴 旋 共 振 : 有 一 小 部 份 的 電 子 和 氣 體 不 相 往 來, 也 就 是 不 發 生 碰 撞, 它 們 的 能 量 不 斷 地 升 高 最 後 發 出 Χ 光 分 析 複 雜 : 存 在 電 漿 中 的 磁 場 使 得 電 磁 波 的 傳 播 變 為 複 雜 ; 左 旋 圓 電 磁 波 在 某 些 情 況 下 也 能 傳 播, 這 會 造 成 磁 滯 現 象 和 結 果 難 預 料 等 問 題 請 參 考 在 貝 爾 實 驗 室 工 作 的 愛 迪 爾 等 人 所 發 表 的 電 子 迴 旋 共 振 電 漿 源 的 多 重 穩 態 " 真 空 科 學 與 科 技 期 刊,1993 年,A11 卷,2883 頁 腔 體 設 計 複 雜 : 建 造 一 個 能 夠 處 理 大 面 積 晶 圓 的 反 應 腔 需 要 超 大 的 電 磁 場 高 達 一 千 高 斯 或 0.1 特 斯 拉, 大 電 源 供 應, 高 功 率 微 波 產 生 器, 匹 配 阻 抗 電 路, 和 高 真 空 幫 浦 可 想 而 知 造 價 一 定 所 費 不 貲, 而 且 很 多 地 方 易 出 問 題