直流偏壓

在射頻系統中，射頻電極的電位如同等離子體電位一樣變化很快。由于電子的移動速度遠遠快于離子，并且任何接近等離子體的東西都會帶負電，所以等離子體的電位永遠高于附近的其他東西。

如下圖中的等離子體電位曲線（實線），當射頻電位（虛線）在正周期內時，等離子體的電位高于射頻電極的電位。當射頻電位變成負時，等離子體電位并未向負方向移動。等離子體電位必須維持比接地電位高的狀態。當射頻電位再返回到正周期時，等離子體電位也提高,因此等離子體電位在整個循環周期內都比接地電位高（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，同時也與反應室壓力及工藝過程中的氣體類型有關。

當射頻能量增加時，射頻電位的振幅也增加，等離子體電位和直流偏壓也會增加（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。對于兩個電極面積相同的對稱系統（見下圖）,電極的直流偏壓為10~20V。大多數PECVD系統都是這種結構。

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）等離子體源無法獨立控制離子的能量和離子的流量。

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

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，也就能產生較高能量的離子轟擊。

大多數刻蝕反應室都使用不對稱電極，并將晶圓放在較小的射頻電極上，使得在整個射頻周期內獲得較高能量的離子轟擊。刻蝕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，兩個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，不但會產生粒子污染，也會縮短反應室內零件的壽命。

一個問題

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”。實際上這就是自偏壓，由于兩者的數值很接近，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。但是當探針靠近等離子體時，會受到電子快速運動的影響而帶負電，并在表面和等離子體間形成鞘層電位。因此測量結果由鞘層電位的理論模型決定，然而這個理論模型至今沒有被完善。

審核編輯 ：李倩