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甚高频激发的容性耦合等离子体的特性测量与分析中文摘要 甚高频激发的容性耦合等离子体的特性测量与分析 中文摘要 在现代半导体行业中，低温等离子体常应用于薄膜生长、基片刻蚀和表面改性等。 相比于感应耦合等离子体源而言，容性耦合等离子体源的结构简单，更容易形成大口 径等离子体，因而被半导体工业广泛应用。最近兴起的双频激发容性耦合等离子体源 进一步地拓展了容性耦合等离子体源的功能，其中的甚高频率用来激发产生等离子 体，而较低的频率则用来诱导等离子体中的离子轰击基片表面，这一离子通量和离子 能量独立可控的特性大大拓宽了容性耦合等离子体的工作窗口，为半导体工业超细线 宽的沟槽刻蚀带来了新的希望。 本文中所提及的容性耦合等离子体源是在原有的感应耦合等离子体源基础上改 进而来，激发等离子体所用射频频率主要由信号发生器所产生，射频信号经过射频功 率放大器的放大后直接传输到射频匹配器，匹配器的功率输出极与功率电极相连，等 离子体的激发频率从5 m h z 到1 5 0 m h z 的范围内连续可调。 利用电压探针、电流探针和l a n g m u i r 探针等诊断设备对射频激发等离子体电学 参量进行了测量，主要是针对不同频率下射频电压与输入功率的关系，射频电流与 心气压的关系，以及频率、气压对极板自偏压的影响等进行了研究。 使用6 0 m h z 和1 3 5 6 m h z 的双频激发产生容性耦合等离子体，从两者的射频输入功 率对彼此自偏压的变化来说明两者之间的耦合。6 0 m h z 射频激发产生的容性耦合等离 子体的放电特性及电子行为采用电流、电压探针以及朗缪尔探针诊断技术进行了研 究。实验结果表明，等离子体的等效电阻或电容随着射频输入功率的增加而减小或增 加；等离子体中电子行为不仅依赖于射频输入功率，还与放电气压密切相关；放电气 压的增加导致电子能量几率分布函数( e e p f ) 从双温m a x w e l l i a n 分布d r u y v c s t e y n 分 布转变，而且转变气压远低于文献所报道的数值，这主要是由于在6 0 m h z 容性耦合等 离子体中电子反弹共振加热效率大为降低所致。 甚高频激发的容性耦合等离子体的特性测量与分析 中文摘要 关键词：容性耦合等离子体；l a n g r n u i r 探针；电子能量几率分布函数；电子温度； 电子密度 作者：孙恺 指导教师：辛煜 甚高频激发的容性耦合等离子体的特性测量与分析英文摘要 r ln em e a s u r e m e n ta n da n a l y s i so ic a p a c i t i v ec o u p l e d r n o 一 1 l-_一 p l a s m ad r i v e nb yv e r yh i g hf r e q u e n c y a b s t r a c t i nt h em o d e ms e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y ，c o l dp l a s m ai sc o m m o n l yu s e di nt h i nf i l m d e p o s i t i o n , e t c h i n ga n ds u r f a c em o d i f i c a t i o n i nc o m p a r i s o nw i t l lt h ei n d u c t i v e l yc o u p l e d p l a s m a , t h ec a p a c i t i v ec o u p l e dp l a s m ah a sas i m p l es 饥l c t u r e ，s oi ti se a s yt og e n e r a t el a r g e a r e ap l a s m aw h i c hi sw i d e l yu s e di nt h es e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y r e c e n t l y ，c a p a c i t i v e c o u p l e dp l a s m ad r i v e nb yd u a l - f r e q u e n c yf l l r t h e re x p a n d si t sf u n c t i o n , w h e r et h eh i g h e r f r e q u e n c yi su s e dt og e n e r a t et h ep l a s m a , w h i l et h el o w e rt oi n d u c ei o n sf r o mt h ep l a s m at o b o m b a r dt h ew a f e r t h ei n d e p e n d e n tc o n t r o lo fi o nf l u xa n de n e r g yp o w e rg r e a t l yb r o a d e n s t h ep r o c e s sw i n d o wo ft h i sk i n dc a p a c i t i v e l yc o u p l e dp l a s m a , a n dt h u st a k e so nan e w f u t u r ef o rt h et r e n c he t c h i n g 、丽t l lu l t r a - f i n ef e a t u r es i z ei ns e m i c o n d u c t o rf a b r i c a t i o n s i nt h i st h e s i s ，t h ed r i v i n gf r e q u e n c yi nt h ec o n c e r n e dc a p a c i t i v e l yc o u p l e dp l a s m ai s g e n e r a t e df r o mr a d i of r e q u e n c ys i g n a lg e n e r a t o r , t h ed e s i r e dr a d i of r e q u e n c y ( i 讧) s i g n a l d i r e c tt r a n s m i t st ot h er fm a t c ha f t e rm a g n i f i e db yr fp o w e ra m p l i f i e r , t h eo u t p u to fr f p o w e rf r o mm a t c hb o xi sc o n n e c t e dt oe l e c t r o d e ，t h ed r i v i n gf r e q u e n c yi sr a n g e da n d a d j u s t e dc o n t i n u o u s l yf r o m5 m h zt o15 0 m h z w eu s eh i g hv o l t a g ep r o b e ，c u r r e n tp r o b ea n dl a n g m u i rp r o b et e c h n i q u e st om e a s u r e t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc a p a c i t i v e l yc o u p l e dp l a s m ad r i v e nb yr f w em a i n l yf o c u so nt h e r e l a t i o no fr fv o l t a g ev s r fi n p u tp o w e ru n d e rt h ed i f f e r e n td r i v i n gf r e q u e n c y ，t h e r e l a t i o no fr fc u r r e n ta n da rp r e s s u r ea n dt h ei n f l u e n c e so ff r e q u e n c ya n dp r e s s u r eo n s e l f - b i a so ft h ep o w e r e de l e c t r o d e f r e q u e n c i e so f6 0 m h za n d13 5 6 m h za r eu s e dt od r i v et h ec a p a c i t i v e l yc o u p l e d p l a s m a s ，t h ec o u p l i n gb e t w e e nt h e ma r ei l l u s t r a t e db yt h ei n f l u e n c e so ft h e i rr fi n p u t p o w e r so nt h e i rs e l f - b i a so fe l e c t r o d e s t h ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c sd r i v e nb y6 0 m h za n d l 量直塑塑垄笪窒丝塑盒箜塞王签丝壁丝塑量皇坌堑一 英文摘要 i t se l e c t r o nb e h a v i o ra r em v e m i g m e db ym m g c u r r e n ta n dv o l t a g ep r o b e sa n dl a l l g m u i r p r o md i a b o l i c s t h ee x p e 涵e n t a lr e s u l t sm o wt h a te q u i v m e mr e s i s t a n c em c r e 硒e sw h i l e c a p a c i t a n c ed e c r e a s e sw i t l lt h em c r e a s m go fr e p r or fp o w e r ni sf l s os h o w nt h a te l e c t r o n m h a v i o ri l lt l l ep l a s m ai sn o to i d yr e l a t e d 谢t i lr fi n p u tp o w e rb mm s o 谢t l ld i s c h a r g e p r e s s u r ec l o s e l y 1 1 1 c r e a s i n gp r e s s u r ec a u s e sa 呦s f f i o no fe l e c 仃d ne n e r g yd i s t r i b u t i o n f u n c t i o n 舶mb i m a 】( w e l l i a i lt y p et od m y v c s t e ”t y p e ，谢廿1f f st r a n s i t i o np r e s s u r em u c h l e s st h a nt h a tr e p o r t e db yo t h e r s t h i sc o n t r i b u t e st 0a 舯a t d r o pi i le f f i c i e n c yo fe l e c t r o n b o u n c e df e s o n 锄c eh e a t i n gi l lc c p 嘶v e nb y6 0 m h z k e yw o r d s ：c 哪i t i v ec o u p l e dp l 硒m a u r c e ，l a l l g 删j i rp r o b e ，e l e c 仃o ne n e r g y p r o b a b i l i 够d i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ，e l e c 仃o nt e m p e r a t u r e ，e l e c t r o nd e n s 毋 w d r e nb y ：s u l lk a i s u r m i s e db y ：x i ny u 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或 其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责 任。 研究生签名：丕! ：! 丝日期：乏塑：三：! ! 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保存期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：歪垒：些日 导师签名： 期：巡：三：! ! 日期： 甚高频激发的容性耦合等离子体的特性测量与分析 第一章引言 1 1 低温等离子体的概述 第一章引言 等离子体是固态、液态、气态以外的第四种物质状态，也是宇宙中一种常见的 物质。一般所说的等离子体是指由正、负带电粒子和中性粒子组成，整体呈现电中性， 并表现出一种集体行为的电离气体。若按等离子体所处状态对等离子体进行分类，可 分为：平衡等离子体和非平衡等离子体。通常数百帕以下的低气压等离子体常处于非 平衡状态，电子在与其他粒子的碰撞过程中几乎不损失能量，即满足( 电子温度) z ( 离子温度) 乙( 中性粒子温度) ，此时电子具有足够高的能量以使反应物分子激 发、离解、电离，我们把这样的等离子体称为低温等离子体( c o l dp l a s m a ) 。 低温非平衡等离子体一方面可以有助于产生化学活性物质，另外一方面使得反 应体系得以维持低温，乃至接近室温。利用等离子体处理技术，可以制造出具有特殊 结构和表面特性的材料，而且对电子工业超大规模集成电路生产以及航空航天、汽车 制造、钢铁冶炼、生物医学和有害废弃物处理等行业，都起着极为重要的作用。 低温等离子体技术也广泛应用于世界主要的半导体制造工业中，最常见的有薄 膜生长、干法刻蚀和表面处理等。利用射频电源放电产生较稳定的等离子体一直受到 很多关注，最早应用于半导体行业的是容性耦合等离子体( c a p a c i t i v e l yc o u p l e d p l a s m a ，简称c c p ) 亥j j 蚀，这种方法能够获得比较垂直的刻蚀侧边。之后，7 0 年代末 到8 0 年代初，日本等国开发过微波( 2 4 5 g h z ) 电子回旋共振等离子体( e l e c t r o nc y c l o n e r e s o n a n c ep l a s m a ，简称e c rp l a s m a ) ，它可产生1 0 1 1 1 0 1 2 c m _ 3 的高等离子体密度， 但这种技术需要两个很大的磁场线圈，设备庞大、造价很高，而且由于磁场的存在会 导致等离子体不够均匀；8 0 年代末到9 0 年代初，美国和澳大利亚等国研究出了螺旋 波等离子体( h e l i c o nw a v ep l a s m a ，简称h w p ) ，这种技术只需要使用1 3 5 6 m h z 射频 源，而且磁场也只要o 0 1 t 左右即可达到e c r 的等离子体密度，且造价大为降低， 这就为亚微米加工提供了另一种可选择的方法。9 0 年代初期出现了一种新型电感耦 合等离子体源( i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m as o u r c e ，简称i c p ) ，它的优点在于能产生低 甚高频激发的容性耦合等离子体的特性测量与分析第一章引言 温、高密度等离子体，而且本身是无电极放电，没有电极污染。此后发展到目前比较 热门的双频容性耦合等离子体放电，即利用两个不同频率的射频电源共同驱动产生等 离子体：频率较高电源用于产生高密度的等离子体，即控制等离子体的密度进而控制 轰击基片的离子通量；而频率较低电源用来控制离子在鞘层中的运动特性，即低频电 源主要控制刻蚀离子的能量【1 瑚。 1 2 射频等离子体放电 1 2 1 容性耦合等离子体放电 电容耦合射频放电系统也称作“射频二极放电系统 ，其结构如图1 1 所示【4 】， 它包括一个真空腔体，内有两个接到射频电源的平板电极，射频输入功率通过电容耦 合的方式，通过匹配网络耦合给等离子体，容性耦合等离子体( c c p ) 主要用于反应性 等离子体刻蚀工艺。 真空泵 图1 1c c p 结构示意图 2 甚高频激发的容性耦合等离子体的特性测量与分析第一章引言 在c c p 放电中，电极和等离子体间形成一个高压容性鞘层，流过鞘层区的射频 电流导致了鞘层区内的随机加热( 或称无碰撞加热) ，而流过主等离子体区的射频电流 则导致了主体区内的欧姆加热( 或称碰撞加热) 。由于c c p 电极间的电场分布比较均 匀，因此利用c c p 放电可以获得比较均匀的等离子体。在较低的气压下( 通常在1 1 5 p a ) ，利用c c p 源可以达到一定程度上的各向异性刻蚀效果。这种等离子体源的驱动 频率通常是1 3 5 6m h z ，由于这个频率广泛应用于工业生产当中，所以又被称为工业 频率。c c p 产生的等离子体电子密度相对比较低，约为1 0 9 1 0 1 1 c m _ 3 ，电子温度大 约在几个电子伏左右。 1 2 2 螺旋波等离子体放电 一f - _ 一 墓 多极磁铁 霸豳醑叠强雹霞翰暖瑗西曩矗雹矗嗣曩 l l舡业茼毒苊 i 一垌烈俩直 图1 2 螺旋波等离子体放电装置结构示意图 螺旋波是在有限直径、轴向磁化的圆柱形等离子体中传播的具有哨声波模式的 波，其由射频驱动天线激发，并通过绝缘器壁发射到等离子体中，在那里螺旋波具有 横波模式结构并且沿着等离子体柱的轴向传播，电磁波的能量则通过碰撞或无碰撞 甚高频激发的容性耦合等离子体的特性测量与分析第一章引言 ( 朗道) 阻尼被电子吸收，图1 2 为其装置示意图。显然，螺旋波等离子体( h e l i c o nw a v e p l a s m a ，h w p ) 与电子回旋共振加热e c r 同属波加热的等离子体源。在碰撞加热机制 中，能量主要传递给那些处于热平衡的、较冷的电子，而无碰撞加热机制则倾向于加 热那些处于非热平衡的电子，使其能量远高于处于热平衡的电子。 与微波e c r 相同，螺旋波等离子体源也需要借助于外加磁场来放电，但螺旋波 等离子体源所需的磁场( 1 0 0 g ) 较微波e c r 装置( 8 7 5 ( 3 ) 小得多，因此其成本较e c r 源 低。此外，螺旋波等离子体源采用射频源作为电源，而不是微波源，这也使得其成本 比e c r 源低很多。目前所有的螺旋波等离子体材料处理设备中，材料处理室都被设 计在源区的下游，由于低长宽比的螺旋波等离子体源还没有开发出来，等离子体从源 区向处理室的输运和扩散过程可能会对系统的性能有严重的影响。在处理室外面，可 以安装能约束等离子体的多极磁铁来提高均匀性，或者采用一个放置在晶圆台附近的 电磁线圈，使从源区过来的等离子体不发散，从而增加刻蚀速率。 1 2 3 感性耦合等离子体放电 感应耦合等离子体( i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a , i c p ) 源的顶端或侧壁处放置由射 频电源驱动的射频线圈，当射频线圈中通入交变的射频电流时，在有石英玻璃介质窗 的反应器中就产生了交变的磁场，交变的磁场将感应出交变的电场，i c p 装置就是通 过感应电场使反应器中的气体电离从而产生等离子体的。i c p 已经被广泛应用于当今 超大规模集成电路的工艺领域。 工业上应用的i c p 源有多种形式，常见的有两种如图1 3 所示。广_ 种是圆柱形线 圈绕在电绝缘的真空容器外边，当通过匹配网络将射频功率加到天线上时，天线中就 有射频电流流过，于是产生射频磁通，并且在真空容器的内部沿着圆筒形容器的角方 向感应出射频电场。另一种是采用盘香形线圈盘踞于腔体的上方电介质板外，基片放 置在下游区域，加速电子的机理与柱状线圈相同，等离子体的均匀性可以通过天线的 结构来控制。由于i c p 无需外加磁场即可进行放电，而且使用的是射频电源而不是 微波源，因此，与需要微波源且需借助于外磁场的e c r 等离子体相比，i c p 源具有 原理和结构简单、性价比高、装置的环径比更大且装置更小型化以及操作简便等特点。 利用感性耦合等离子体源能够在大范围内获得较均匀的高密度等离子体，天线结 4 甚高频激发的容性耦合等离子体的特性测量与分析第一章引言 构简单，并且通过减少天线的宽度能诱导耦合模式的变化，在整个环的直径范围内， 空间电场和电子温度都十分均匀。i c p 源已在等离子体辅助加工领域中得到了广泛的 应用，特别是对于半导体芯片刻蚀工艺，利用这种等离子体可以得到很高的刻蚀速率 和很好的定向刻蚀。 电介 多极磁 图l - 3圆柱形和盘香形感性耦合等离子体源的示意图 1 2 4 双频耦合等离子体放电 随着集成电路特征尺寸不断减小，器件线宽越来越小，集成度越来越高，且膜层 越来越薄，对等离子体加工处理及优化过程提出越来越高的要求。高新技术产业要求 发展新的能满足特定要求的等离子体源和技术。双频驱动的容性耦合等离子体源( 双 5 甚高频激发的容性耦合等离子体的特性测量与分析第一章引言 频c c p ) 正是在这样的背景下被提出的，并期望将其用到微电子工业当中。 早期使用的单频c c p 源，很难实现对等离子体密度( 正比于刻蚀速率) 和入射 到晶片上的离子能量的独立控制，双频c c p 通过引入一个低频电源有效地解决了这 一问题。这种双频c c p 是由两个不同频率的射频电源共同驱动的，其中频率较高的 电源用于产生高密度的等离子体，即控制等离子体的密度进而控制轰击基片的离子通 量；而频率较低电源则主要用来控制离子在鞘层中的运动特性，也就是控制刻蚀离子 的能量，这就实现了对轰击基片的刻蚀离子的通量和能量的分离控制。图1 4 给出了 双频双极等离子体放电装置的示意图。 图1 4 双频双极容性耦合等离子体源 通常，双频c c p 中所采用的低频源的频率范围从数百千赫至十几兆赫，高频源 从2 7m h z 到2 0 0m n z 或更高。两个射频源可以加在同一个电极上，也可以分别加在 两个电极上。工业应用中的双频等离子体刻蚀机有多种频率组合方式，例如，日本 t o k y oe l e c t r o n 公司的s c c m t e 等离子体刻蚀机，采用6 0 2m h z 的频率组合， 双频双极的电极搭配形式；美国l a m 公司的e x e l a n c f e 等离子体刻蚀机采用2 7 2 6 甚高频激发的容性耦合等离子体的特性测量与分析第一章引言 m h z 双频组合，双频单极的电极搭配形式；美国a p p l i e dm a t e r i a l s 公司的 e n a l b e r 等离子体刻蚀机采用1 6 2 1 3 5 6m h z 双频组合，双频双极的电极搭配形式； 在国内，上海的中微公司也采用双频c c p 源作为1 2 寸晶圆刻蚀机的等离子体源，其 频率组合为6 0 2m h z 。相似的，在双频c c p 放电中，高频电源的电源大多采用甚高 频电源，这对产生高密度的等离子体得到较大的轰击基片离子通量有很大的帮助。 1 3 容性耦合等离子体特性的研究现状 1 0 器 量 萼 o o5 1 01 5 电子能量v ) 图1 5 三种分布示意图，1 ) 从前向后由d 氏分布向m a x w e l l i a n 分布变化、2 ) 双m 氏分布 与其他的低温等离子体产生方法相比较，容性等离子体源结构简单，形成等离子 体放电均匀，等离子体密度、电子温度、电子密度、离子温度以及离子密度这些等离 子体参数也能通过光谱或静电探针等诊断数据经过计算得到。从理论的角度分析，容 性等离子体对称性好，结构较感性等离子体简单的多，易于模型分析。通常，在研究 等离子体中电子特征，我们用电子能量分布函数来表征了等离子体中电子的行为。电 子能量分布函数，( 占) = f 2 ( 占) 大致可分为三类： 7 呷ea笤孓一苞暑 甚高频激发的容性耦合等离子体的特性测量与分析 第一章引言 d 氏分布( d n l y v e s t e y n 分布) 几率分布可表示为：f t f ) o c e x p ( 占p 乃2 ； b i m 氏分布( b i m a x w e l l i a n 分布) ：e e p f 曲线中存在两个斜率； m 氏分布( m a x w e l l i a n 分布) 几率分布可表示为：，( 占) 芘e x p ( e e t ) ； 其中e 为电子电荷，t 为电子温度，图1 5 中给出了以上三种分布曲线的示意图。 在m a l i e b e r m a n 出版的等离子体放电原理与材料分析一书中提到了均匀 模型【4 j ，具体讲述了在容性耦合等离子体中的等离子体结构，主要是接近极板部分的 鞘层和极板之间距极板较远的中央主等离子体，施加在两极板之间的电压主要沉降在 两端鞘层中，基板附近的负电位电场吸引离子进入鞘层，阻挡带负电的电子进入，从 而将电子约束在中央主等离子体区，只有少数高能电子能够克服这一电位差进入鞘层 区域；而且菅井秀朗曾在等离子体电子工程学一书中提及在射频等离子体放电过 程中【5 】，电子群在响应r f 电压时，导致鞘层厚度发生伸缩，鞘层不断地震荡。 在两极板之间施加射频电压，欲将电能耦合到等离子体当中，等离子体中主要存 在电子、离子和中性粒子等，由于电子质量较其他粒子小得多，更加能够及时的响应 不断变化的射频场，等离子体从电场中得到能量就主要用于等离子体中电子的加热。 在不同的电磁场与等离子体间的能量转移方式有很多种电子加热机n - 例如欧姆加 热、随机加热、波与粒子相互作用的共振加热、二次电子发射加热等。 欧姆加热的机制是，在于其他粒子的局域碰撞过程的作用下，电子在电场中加速 获得的能量转化成电子热运动的能量。欧姆加热存在于所有的放电过程中。在高气压 下，由于碰撞频率高，欧姆加热尤其重要，它可能是最主要的加热机制。 在容性射频放电中，随机电子加热( 有时称为无碰撞加热) 也是一种非常重要的加 热机制。在这种放电中，电子同振荡的鞘层边界发生碰撞并反射回到主等离子体区， 它的速度因此而改变。当鞘层向靠近主体区方向移动时，反射回来的电子就获得能量； 反之，当鞘层向远离主体区方向移动时，反射电子就损失能量。在一个射频振荡周期 内求平均，会发现总的效果是电子能量增加了睁引。 前人所做实验中，电子能量几率分布函数e e p f 随气压的演变可理解如下：在低 气压下，由于鞘层中的电场远强于等离子体中的电场，随机加热通常是最主要的加热 机制，仅有高能电子能够克服块体等离子体的双极扩散势垒，参与到无碰撞加热，在 8 甚高频激发的容性耦合等离了体的特性测量与分析 第一章引言 和鞘层碰撞时，高能量电子比低能电子更易获得能量，而块体等离子体中电子的碰撞 加热则很小，因而，低气压下的e e d f 呈现出低温低能电子群的双麦克斯韦分布。然 而，在高压区电子与中性离子的碰撞频率高于驱动频率，碰撞加热成为主导i 块体等 离子体中的电子可以通过有效的碰撞加热过程来进行加热。因为，在高气压下，两次 碰撞之间运动的电子可以把电场看成是一个直流场，而不是振荡场，电子从该场中获 取的能量正比于电子的平均自由程。由于低能电子的平均自由程要高于高能电子 ( r a m s a u e r 效应) ，相对于高能电子而言，低能电子更容易被加热，结果d r u y v e s t e y n - l i k e 分布就形成了。因此，气压的增加，电子加热模式转变的结果直接导致了电子能量分 布函数的改变。 1 9 8 5 年，g o d y a k 等在找到了无碰撞加热确凿的实验证据后1 2 3 】，提出了一个简 单的模型，该模型假设等离子体和鞘层中的电子密度分布都是均匀的，并且电子能量 分布函数为麦克斯韦形式。2 0 0 1 年，m m t u r n e r 等人采用分析模型详细分析了容性 射频放电鞘层中的无碰撞加热，他认为在符合电流连续性条件下，上面所提到的随机 加热的总效果为零，提出了另外一种名为“p r e s s u r eh e a t i n g 的电子加热机制【9 1 0 l 。 j k l e e 等人随后提出了另外一种电子非正常加热【1 2 1 3 1 ，我们理解为反弹共振加 热，这一电子加热机制很好的解释了他们小组在低气压条件下，容性耦合等离子体中 随射频频率的变化，e e d f 中出现的低能电子分布几率平台。 上面所述的几种电子加热机制是目前比较能接受的理论模型，虽然还存在一些问 题，但已经给我们进一步分析和了解等离子体放电内部机理提供了条件。在理论模拟 、 中，m m t u r n e r 等人显示了低频电流对鞘层区的空间结构的影响，尤其是无碰撞加 热和欧姆加热机制的增强f 9 d o 】；h c k i m 等人g l a y 有效参量( 如有效频率、有效电 流和电压) ，采用单频等离子体的均匀模型来描述等离子体放电特性，同时他们还使 用粒子- m c 模型显示了低频电流的改变是电子加热模式转变的原斟1 2 1 3 】；b o y l e 等人 采用碰撞模型研究了与时间相关的鞘层特性【1 4 】；z l d a i 等人采用了自恰的混合流体 模型研究了双射频碰撞鞘层的时空特征【1 5 1 。 当然，对于等离子体的研究除了数值模拟外，在过去的多年中人们也发展了一些 非常有用的用于等离子体测量的探针诊断技术，给诸如感应耦合等离子体以及容性耦 合等离子体中详细的射频电磁场结构以及等离子体电位和电子能量分布等的测量带 9 甚高频激发的容性耦合等离子体的特性测量与分析 第一章引言 来了极大的方便。在这些实验中，使用精细的朗缪尔探针技术测量等离子体放电过程 中的i v 曲线，变换后得到电子能量分布函数，发现等离子体放电模式有所变化。 g o d y a l 【等人首次观察到容性耦合等离子体中在固定射频电流密度条件下放电气压导 致的电子能量分布函数的改变，并把它解释为是由加热模式的转变引起的结果1 1 6 7 1 。 b u d d e m e i e r 等人在固定放电气压而改变射频电流密度时，也观察到了类似的模式转 变，认为鞘层的加热效率依赖于射频电位的幅度【1 8 】。在前述的双频容性耦合放电中， 高频用于激发产生等离子体，其密度近似正比于频率的平方。而且，驱动频率强烈地 决定了主等离子体性质，也影响着电子的加热模式，因而改变了电子能量分布函数 ( e e d f ) 的形状。e a f a t t a h 等人在固定射频电压和气压的容性耦合等离子体中观察到 了e e d f 从低激发频率下的d r u y v e s t e y n 分布向甚高激发频率下的双m a x w e l l i a n 分布 转变，并把它解释为电子加热模式从低频下的欧姆碰撞加热向甚表高频下的表面加热 转变。s j y o u 等人发现f 2 0 _ 3 1 ，随着驱动频率的上升，加热模式的转变气压剧烈下降， 主要起源于高频条件下碰撞加热比无碰撞电子加热更有效。 除了以上我们提到的几种等离子体放电模式之外，也有一些文献报道了在容性耦 合等离子体中存在a 模式和7 模式的放电。最早发现这两种放电模式的是l e v i t s k i i ， 而且这一机制已经被不少人所认同，一般认为低功率密度下a 模式主要出现在较低的 电压条件下，由电离过程来维持，主要是由于主等离子体区域内的碰撞效应所导致的， 通常又被称为欧姆加热。当功率增加以后，等离子体的射频电压随之增高，原来主等 离子体内以离化为主的放电过程向以电极板表面附近的二次电子发射导致的离化模 式转变，这一放电模式的转变，导致在放电过程中的辐射强度和电学特性都有剧烈的 变化。也有人认为，所谓的仅和丫放电模式可以分别被称为是低电流模式和高电流模 式。 1 4 本文研究内容 在现代半导体行业中，低温等离子体常应用于薄膜生长、基片刻蚀和表面改性等。 相比于感应耦合等离子体源而言，容性耦合等离子体源的结构简单，更容易形成大口 径等离子体，因而被半导体工业广泛应用于薄膜生长和等离子体干法刻蚀。最近兴起 1 0 甚高频激发的容性耦合等离子体的特性测量与分析 第一章引言 的双频激发容性耦合等离子体源进一步拓展了容性放电源的功能，其中的甚高频率用 来激发产生等离子体，而较低的频率则用来诱导等离子体中的离子轰击基片表面，这 种离子通量和离子能量独立可控的特性大大拓宽了容性耦合等离子体的工作窗口，为 半导体工业超细线宽的沟槽刻蚀带来了新的希望。 本文中的容性耦合等离子体源是在原有的感应耦合等离子体源基础上改进而来， 并利用电压探针、电流探针、l a n g m u i r 探针等诊断设备对不同射频频率激发的等离 子体电学参量进行了测量。激发等离子体用射频频率主要由信号发生器所产生，射频 信号经过射频功率放大器的放大后直接传输到射频匹配器，匹配器的功率输出极与功 率电极相连。等离子体的激发频率从5 m h z 到1 5 0 m h z 的范围内连续可调。 论文的主要内容围绕容性耦合等离子体放电特性展开的，论文的第二章内容主要 讲述了本论文的容性放电装置以及一些等离子体诊断技术；第三章内容主要讲述了容 性耦合等离子体在不同激发频率条件下的放电特性，重点探讨了功率电极极板上自偏 压随激发频率、功率以及气压等变化。第四章重点讲述了双频激发条件下的容性放电 中电极板的自偏压变化，以及6 0 m h z 激发频率下容性耦合等离子体的特性研究。第 五章为本论文研究内容的一个总结。 甚高频激发的容性耦合等离子体的特性测量与分析第二章容性耦合放电实验装置及其诊断技术 第二章容性耦合放电实验装置及其诊断技术 本章介绍射频激发的容性耦合等离子体源，射频激发频率可以从5 m h z 连续变化 到1 5 0 m h z 。激发产生的等离子体特性将主要采用朗缪尔探针进行测量，外部电学参 量采用高压探针、电流探针和磁探针等进行测量。 2 1 容性耦合等离子体腔体 圆一 图2 1实验装置图 图2 1 是容性耦合等离子体放电示意图，实验测量用的真空腔体为轴对称的圆筒 式结构，腔体内配有不对称上下电极板，上极板直径2 3 0 m m ，下极板直径为2 0 0 m m ， 除两个极板相对的两个放电面外，电极的其它部位均覆盖有聚四氟乙烯材料，并包裹 有接地的不锈钢材质；真空室器壁接地，腔室相对于放电中心具有轴对称性。朗缪尔 探针系统与腔体壁- - t 贝j 的法兰相连，探针系统可以通过步进马达将探针针尖送到要测 1 2 甚高频激发的容性耦合等离子体的特性测量与分析第二章容性耦合放电实验装置及其诊断技术 量的部位。 上、下极板可沿着轴向上下移动，且都可作为功率电极直接连接功率匹配器以形 成双射频激发的电容耦合放电体系。在本实验中，两个电极板间距适中保持在5 0 m m 。 上极板中央有一小孔，作为放电气体入口。 真空室上留有若干窗口，可以作为观察窗、静电探针法兰口、等离子体发射光谱 窗口、红外吸收光谱窗口等。真空室底部为抽气系统，该抽气系统由机械泵和涡轮分 子泵组成，真空腔体上所连接的热偶规和电离规分别用来测量腔体的真空度。实验中， 本底真空小于1 0 。3p a 。 2 2 射频匹配网络 射频匹配网络是连接射频电源和放电极板之间的一个射频部件，通过调节其中的 射频原件，如可调的纵横电容或者可调电感，实现射频功率的最大传输。 + 园 图2 2 型匹配网络 囡 本实验中主要采用了图2 2 中所示的“万型网络”。所产生的等离子体可以看成是 一个可变负载，阻抗可以表示为乙= 如+ 隅，这里如是等离子体的电阻，是 等离子体的电抗。可以用一个戴维南( t h e v e n i n ) 等效电路来模拟连接在z d 上的电源， 1 3 量堑塑堂垄堕查丝曼宣羔妾! 苎盟壁丝塑量! 坌堑 塑三童查丝塑鱼垫生兰墼茎星墨蔓堡堑垫查 该等效电路由一个复幅度为巧的理想电压源与一个电源内阻辟串联组成。流进等离 子体的时间平均功率为 f 2 ；n e ( ) 其中乃是加在乙上的复电压。求解在这个串联同路中的易和略，得 ，嘲2 赢 。 旦：o 竺；o 当电源参数和毋给定时，令a 和 “，可得传输功率的最大值 而审。雠。盏的品+ 功。商柏t ：；譬 而电源传递给负载的最大功率应为5 坼。 2 3 静电探针诊断 2 j i 静电探针的结构及测量 图2 3朗缪尔探针结构示意图 静电探针( 亦称朗缨尔探针i a m g m u i r b e ) 是最早被用来测定等离子体特性的一 甚高频激发的容性耦合等离子体的特性测量与分析第二章容性耦合放电实验装置及其诊断技术 种诊断工具，由朗缪尔( i r v i n gl a n g m u i 0 等人于1 9 2 4 年提出的。 朗缪尔探针的使用需要满足以下几点要求： 1 、不存在强磁场； 2 、电子和离子的平均自由程大于探针尺寸，即等离子体使稀薄的； 3 、探针周围的空间电荷鞘的厚度比探针尺寸小； 4 、空间电荷鞘层以外的等离子体基本上不受探针干扰，其中的电子和离子速度 分布仍服从麦克斯韦分布规律： 5 、电子和离子打到探针表面后都被完全吸收，而不产生次级电子的发射也不与 探针材料发生反应。 本实验中所使用的朗缪尔探针是由英国h i d e n 公司生产的e s p i o n 射频补偿的朗 缪尔探针，示意图如图2 3 所示。使用共振阻塞元件获得射频振荡的补偿，在6 0m h z 和1 3 5 6m h z 的条件下其阻塞阻抗超过了4 2 5m f l 。采用了参考探针补偿用于抵制较 低频率的影响，消除了如等离子体电位漂移或噪声等引起的低频效应。探针由1 0i n l n 长、直径为0 1 5r a i n 的钨丝组成，紧靠针尖的陶瓷套管直径为o 3m i l l ，长度为1 0m i i l 。 探针位置可通过步进马达控制。 探针电流，。与加在探针上的扫描电压u 的函数关系曲线，称为探针的伏安特性 曲线。图2 4 是一个典型的静电探针的伏安特性曲线。入射到探针的电流为离子电流 与电子电流之和，即i ，2l 一1 i 。 如果假定等离子体中的电子和离子按余弦定律打到鞘层表面，那么打到鞘层表面 的电子流和离子流分别是 l o = l e n 。o a p 瓦= 2 7 1 0 。9 彳p 厄 i , o = l e n ，o a ，i = 6 2 1 0 。1 1 彳p 厕 其中乞和厶的单位是，刎，电子浓度和离子浓度相等，单位为c m - 3 ，鞘层 表面积等于探针表面积彳。，单位是c m 2 ，电子温度和离子温度单位为p y ，a 是离子 的原子量，探针鞘层电压 1 5 甚高频激发的容性耦合等离子体的特性测量与分析第二章容性耦合放电实验装置及其诊断技术 = u 一圪 带电粒子经过鞘层的电流 l = i , oe x p e v , ( k l ) 】l i i = i be x p e y r ( k r , si b 整个探针的伏安特性曲线可以分成三个区域：( 1 ) 、电子饱和区；( 2 ) 、过渡区； ( 3 ) 、离子饱和区，如图2 4 所示。 离 l l l 子饱和区域 一f v p s i 协 ：冉? 瘩汀 图2 4 典型的朗缪尔探针的伏安特性曲线 p ( 1 ) 电子饱和区 这个区域的鞘层电压降为 巧= u 一匕0 ， 电子通过鞘层时被加速，但电子流不可能大于等离子体能提供的乞值，所以把 1 6 甚高频激发的容性耦合等离子体的特性测量与分析第二章容性耦合放电实验装置及其诊断技术 这个区域叫电子饱和区。而这时离子通过鞘层将受拒斥，达不到探针。因此这时的探 针电流 2 l = 2 7 l o 。9 刀。a ，红。 这个区域的临界情况是 一= u 一圪= 0 ， 如图2 4 中d 点所示。这时探针电压u 等于探针所在空间位置等离子体的空间 电位圪。 ( 2 ) 过渡区 这个区的鞘层电压降为 以= u 一圪 1 时，探针收集的离子流同样也不可能超过等离子体能提供的 离子流。o 值，所以称这个区域为饱和离子流区。 2 3 2 探针诊断等离子体参量数的计算方法 l a n g m u i r 方法 对于电子温度为乙，电子质量为，电子密度为吃等离子体，如果其电子分布 函数为无漂移的麦克斯韦分布，即 厂( x ，v ，f ) = 他( 2 万z ) 2 e x p 一( 他y 2 2 z ) 。 对于半无限平面探针，到达偏置为的探针单位面积的电流为 五( ) = p 少( x ，v ，彬噍叱噍 - 8 心( 2 万瓦) 3 彪工m i n e x p - ( m y 2 2 z ) 卫噍， 进行积分，并乘以探针面积s 得到探针电流的表达式： l ( ) = 乞e x p 一p ( 形一) 互 圪 l = 乞 圪 1 8 甚高频激发的容性耦合等离子体的特性测量与分析第二章容性耦合放电实验装置及其诊断技术 这里乇= 吸( 乃2 万) 2 ，称为电子饱和电流。 这方程在珞处存在明显的拐点，此拐点对应的电压壕便是等离子体电位。对其 作半对数图，t (