直流偏壓

在射頻系統(tǒng)中，射頻電極的電位如同等離子體電位一樣變化很快。由于電子的移動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于離子，并且任何接近等離子體的東西都會(huì)帶負(fù)電，所以等離子體的電位永遠(yuǎn)高于附近的其他東西。

如下圖中的等離子體電位曲線（實(shí)線），當(dāng)射頻電位（虛線）在正周期內(nèi)時(shí)，等離子體的電位高于射頻電極的電位。當(dāng)射頻電位變成負(fù)時(shí)，等離子體電位并未向負(fù)方向移動(dòng)。等離子體電位必須維持比接地電位高的狀態(tài)。當(dāng)射頻電位再返回到正周期時(shí)，等離子體電位也提高,因此等離子體電位在整個(gè)循環(huán)周期內(nèi)都比接地電位高（見下圖）。這樣大量等離子體與電極之間將保持一個(gè)直流電位差值，這種差值稱為直流偏壓。離子轟擊的能量取決于直流偏壓。PECVD反應(yīng)室中平行板電極間的直流偏壓為10~20V。直流偏壓主要取決于射頻能量，同時(shí)也與反應(yīng)室壓力及工藝過程中的氣體類型有關(guān)。

當(dāng)射頻能量增加時(shí)，射頻電位的振幅也增加，等離子體電位和直流偏壓也會(huì)增加（見下圖）。

等離子體電位取決于射頻功率、壓力及電極間的間距。對于兩個(gè)電極面積相同的對稱系統(tǒng)（見下圖）,電極的直流偏壓為10~20V。大多數(shù)PECVD系統(tǒng)都是這種結(jié)構(gòu)。

由于射頻功率影響等離子體的密度，因此電容耦合型（平行板）等離子體源無法獨(dú)立控制離子的能量和離子的流量。

下圖顯示了在一個(gè)不對稱電極等離子體源中的電壓情況，這兩個(gè)電極具有不同面積。電流的連續(xù)性將產(chǎn)生所謂的自偏壓，即在較小的電極上形成的負(fù)偏壓。鞘層電壓取決于兩個(gè)電極面積的比例（見下圖）。理想狀態(tài)下（鞘層區(qū)無碰撞發(fā)生）電壓和電極區(qū)域的關(guān)系為：

其中，V1是直流偏壓，也就是大量等離體與射頻電極之間的電位差。V2是等離子體電位（等離子體接地）。自偏壓等于V1-V2（從射頻端到接地的電壓）。電極越小，鞘層電壓越大，也就能產(chǎn)生較高能量的離子轟擊。

大多數(shù)刻蝕反應(yīng)室都使用不對稱電極，并將晶圓放在較小的射頻電極上，使得在整個(gè)射頻周期內(nèi)獲得較高能量的離子轟擊?？涛g需要較多的離子轟擊，較小電極上的自偏壓能增加離子轟擊的能量。對于對稱平行電極的射頻系統(tǒng)，兩個(gè)電極遭受的離子轟擊能量基本相同。但對于需要大量離子轟擊的工藝過程，如等離子體刻蝕，不但會(huì)產(chǎn)生粒子污染，也會(huì)縮短反應(yīng)室內(nèi)零件的壽命。

一個(gè)問題

問：如果電極的面積為1：3,問直流偏壓和自偏壓之間的差值是多少？

答：直流偏壓為V1，自偏壓為V1-V2。因此，差值為：

［V1-（V1—V2）］/V1=V2/V1=（A1/A2）4=（1/3）4=1/81=1.23%

在這個(gè)問答中，直流偏壓V1明顯大于等離子體電位V2而且與自偏壓非常接近。許多人測量了射頻熱電極與接地電極之間的電位差，并稱之為“直流偏壓”。實(shí)際上這就是自偏壓，由于兩者的數(shù)值很接近，所以可以忽略難以測量的等離子體電位V2。所以離子碰撞的能量取決于直流偏壓。

問：是否可以在等離子體中插入金屬探針測量等離子體電位V2?

答:可以。但是當(dāng)探針靠近等離子體時(shí)，會(huì)受到電子快速運(yùn)動(dòng)的影響而帶負(fù)電，并在表面和等離子體間形成鞘層電位。因此測量結(jié)果由鞘層電位的理論模型決定，然而這個(gè)理論模型至今沒有被完善。

審核編輯 ：李倩