分解碰撞

當電子和分子碰撞時，如果因碰撞傳遞到分子的能量比分子的化學鍵能量高，就能打破化 學鍵產(chǎn)生自由基。分解碰撞可以表示如下：

e-?+AB -> A?+?B?+?e-

其中，AB是分子，而A和B是由分解碰撞產(chǎn)生的自由基，自由基至少帶有一個不成對的電子, 因此并不穩(wěn)定。自由基在化學上非?；钴S，能奪取其他原子或分子的電子形成穩(wěn)定的分子。自由基能增強刻蝕和CVD反應室的化學反應。下圖說明了分解碰撞過程。

比如，在氧化物刻蝕和CVD反應室清潔過程中：

e-?+ CF4?-> CF3?+F + e-

或在PECVD氧化物的過程中，使用硅源材料硅烷(SiH4)和氧源材料(N02)產(chǎn)生自由基：

e-?+ SiH4-> SiH2+2H+ e-

e-?+ N02-> N2?+ 0 + e-

F、SiH2和O。等自由基在化學上非?；顫?，這也就是為什么等離子體能增強CVD和刻蝕的化學反應。

自問自答

問：為什么在鋁和銅濺鍍工藝中，分解碰撞不重要？

答:鋁和銅濺鍍過程中只使用惰性氣體氯氣。與其他氣體不同的是，惰性氣體以原子形式而不是分子形式存在，因此在氯氣等離子體中并不會產(chǎn)生分解碰撞。

問：PECVD工藝中有分解碰撞嗎？

答:有。在氮化鈦沉積工藝中，將用到氧氣和氮氣。在等離子體中，氮氣將會被分解而產(chǎn)生自由基N,自由基N繼續(xù)和鈦反應生成鈦靶表面的氮化鈦，氯離子會將氮化鈦分子從鈦靶表面濺射出來，使其沉積在晶圓表面。TaN的沉積過程類似于這個工藝過程。

其他碰撞

等離子體中的其他碰撞，如再復合、電荷交換、投擲角度散射，以及中性分子對中性分子碰撞等，在PECVD和等離子體刻蝕中都不重要。

有些碰撞結(jié)合了兩種或兩種以上的碰撞過程。下表顯示了一些可能發(fā)生在PECVD硅烷等離子體中的碰撞形式?？梢钥闯霰碇兴械呐鲎捕际欠纸馀鲎?有些是分解和激發(fā)的結(jié)合, 有些則是分解和離子化的結(jié)合)。

一個問題

問：上表中哪種碰撞最有可能發(fā)生？為什么？

答:需要最小能量的碰撞是最有可能發(fā)生的碰撞。對于電子，獲得較低能量比獲得較高能量容易得多。當電場強度、壓力和溫度都一樣時，一個電子只要加速小段距離就可以獲得足夠的能量(2.2 eV),產(chǎn)生第一次碰撞。對于上表中最后的反應(15.3 eV),電子需要加速很長的距離而且不發(fā)生碰撞才能獲得所需的能量，此種情況的概率很小。

等離子體參數(shù)

主要的等離子體參數(shù)包括平均自由程(Mean Free Path, MFP)、熱速度、磁場中的帶電粒子和玻爾茲曼分布。

平均自由程

平均自由程(MFP)的定義是粒子和粒子碰撞前能夠移動的平均距離。MFP或lamda可表達成以下方程式：

其中，n是粒子密度，sigma是碰撞截面。高粒子密度將造成較多的碰撞使MFP縮短。大粒子和其 他粒子發(fā)生碰撞的概率大，因此MFP也較短。從上述方程中，可以看出MFP主要取決于反應 室的壓力，因為壓力決定粒子的密度。由于不同氣體分子有不同尺寸或截面，因此反應室中的氣體也會影響MFP。

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　　審核編輯：湯梓紅