5、乾貨!掌握這兩個電壓(Vdc&Vpp),就理解了DRY ETCH微觀原理

2021-02-13 芯爵ChipLord

前面已經向大家介紹DRY ETCH的宏觀原理，這一節通過介紹兩個電壓參數（Vdc&Vpp），從微觀角度分析DRY ETCH的基本原理。

Vdc是一種直流偏壓（DC），也稱為自我偏壓（self bias voltage），是DRY ETCH原理上非常重要的一個參數，下面通過平行板反應離子蝕刻機臺進行說明。

前面介紹過，平行板反應離子蝕刻（RIE）機臺，上部電極接地，下部電極接交流電壓，RF電源的頻率為13.56 MHz。大家回憶一下高中物理知識，13.56 MHz意味著電場每秒變化13.56 x 10^6次，電子的質量為9.109×10^-31kg，離子的質量約為電子質量的100000倍。當電場變化時，電子容易跟隨電場的變化而變化，離子由於質量重，不隨電場的變化而變化。

當RF交流電位於正半周期時，等離子體中帶負電的電子被吸引至下部極板，當RF交流電位於負半周期時，等離子中帶正電的離子被吸引，但由於離子質量較大，無法跟隨電場變化，其位置變化不大。經過幾個周期變化後，下極板就積累相當多的電子，於是就產生了直流負電位Vdc。由於下電極為負偏壓，電子被排斥，下極板附近幾乎不存在電子，此區域被成為離子鞘（Ion Sheath），此區域幾乎看不見發光，因此也被成為暗區（Dark Space）。

關於蝕刻機臺chamber中電位分布見圖1，等離子體從宏觀上分析不帶電，電子、離子隨機分布，但從微觀角度分析，等離子體也具有一定電壓，稱為Vp（Plasma Potential）。當正離子進入Plasma與Ion sheath邊界時，離子被Vdc吸引加速轟擊wafer表面，此時離子的能量為Vp+Vdc，這就是DRY ETCH的微觀原理。

圖1  電位分布圖

Vpp 指的是RF 正弦波的 Peak to Peak，波峰到波谷之間電壓絕對值之和 。當 RF 在正半周期時， Vn 電位在等離子體中形成， 吸引負電荷往 Cathode 上的Wafer 移動。此時電荷能量為-q×Vn， 當 RF 在負半周期時， 將提供正離子電荷+q×(Vp+Vdc)的能量， 使正離子電荷往 Cathode上的 Wafer加速移動，轟擊wafer表面，負電荷與正電荷的移動數量是相同的，這就是DRY ETCH 微觀原理，。

圖2 Vpp示意圖


圖3  Vpp計算值

在實際應用中，當Vdc或Vpp參數發生突變時，超出範圍，一般說明ETCH製程有異常，需要EE check tool和PE trace wafe。

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