（凝聚态物理专业论文）射频容性耦合等离子体非均匀特性的实验研究.pdf

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，测定了射频驱动的容性耦 合甜等离子体的7 5 0 4 n m 光谱线的径向分布特性，从而间接反应容性耦合a r 等离 子体的电子密度径向分布与射频频率，气压，腔体结构和射频功率间的关系。实验结 果表明，等离子体发射强度的空间分布对压强、频率和放电腔体的结构有很强的依赖 关系。边界效应( 如电报效应、趋肤效应等) 使得等离子体发射光谱在电极边缘附近 具有强的光谱线强度，从而使得2 0 0 m m 范围内等离子体的不均匀性高于1 0 0 m m 范围 内的情形；驻波效应的存在导致光谱线强度在反应器中心位置出现一个中等强度的谱 峰。另外，由于射频波可以在介质板中的传播，使得上极板覆盖有介质情况下的等离 中文摘要射频容性耦合等离子体非均匀特性的实验研究 子体的不均匀性要高于无介质覆盖的情形。由于电报效应的存在，当上极板覆盖有介 质后，趋肤深度增大，这使得电极边缘的谱峰的宽度增加。 应用静电探针( 郎谬尔探针) 测量腔体内径向不同位置的电子密度，离子通量和 离子密度。实验结果表明，在高频的射频功率驱动下在放电中心的离子密度和电子密 度较高。在高气压的情形下电极边缘存在明显的增强，且这个峰的宽度受到电极是否 覆盖介质的影响，试验结果与发射光谱法所得结果相同相似。 关键词：射频容性耦合感应等离子体；发射光谱法；郎谬尔探针；驻波效应； 边界效应 i i 作者：邵建国 指导教师：辛煜 射频容性耦合等离子体非均匀特性的实验研究英文摘要 1 t 1 a a a 1 一 - 一 e x d e r l m e n t a ll n v e s t l g a t l o no ns o a t l a ln o n - u n l l o r m l t y0 i r f c a p a c i t i v ec o u p l e dp l a s m a a b s t r a c t i nt h eu l t r a - l a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i tp r o d u c t i o np r o c e s s ，r fc a p a c i t i v ec o u p l e d p l a s m ai su s e di nf i l mg r o w t h ，w a f e re t c h i n g ，a n ds u r f a c em o d i f i c a t i o n , e t c t h es t r u c t u r e o fc a p a c i t i v ec o u p l e dp l a s m as o u r c ei ss i m p l e ，i ti se a s yt of o r mal a r g e s i z ep l a s m a u s i n g t h er fc a p a c i t i v ec o u p l e dp l a s m ai nt h ee t c i n gp r o c e s s ，a na n i s o t r o p i ce t c h i n gc a l lb e a c h i e v e d ，t h e r e f o r e ，r fc a p a c i t i v ec o u p l e dp l a s m ah a sa t t r a c t e dm u c hm o r ei n t e r e s t c a p a c i t i v ec o u p l e dp l a s m ai sm o r es u i t e df o rl a r g ea r e ad e p o s i t i o na n de t c h i n go ft h e s u b s t r a t e ，w h i l ei nd e p o s i t i o na n de t c h i n go fal a r g ea r e af i l m s ，u n i f o r m i t yo ft h ep l a s m a h a v ec e r t a i nr e q u i r e m e n t s a st h er ff r e q u e n c yi n c r e a s e s ，t h ed i s c h a r g em o d et r a n s i t i o ns p a t i a l l yf r o mem o d e t ohm o d eo c c u r s ，a n ds t a n d i n gw a v ee f f e c t ，t e l e g r a p he f f e c t ，s k i ne f f e c ta n do t h e r p h e n o m e n aw i l lc a u s ean o n - u n i f o r m i t yi nt h ep l a s m a t h es t a n d i n g - w a v ee f f e c tl e a d st o n o n - u n i f o r mp l a s m ae x c i t a t i o ni nh i 曲f r e q u e n c i e sc a p a c i t i v ed i s c h a r g ew h e nt h er e a c t o r s i z ei sn o tc o n s i d e r a b l ys m a l l e rt h a nt h ee x c i t a t i o nw a v e l e n g t h w h e nt h et r a n s v e r s e m a g n e t i cf i e l di sh i 【g l l ，t h es k i ne f f e c tw i l lo c c u r a na s y m m e t r yo ft h eu p p e ra n dl o w e r e l e c t r o d ew i l ll e a dt ot e l e g r a p he f f e c t t h e s ee f f e c t sw i l ll e a dt on o n - u n i f o r m i t yo f n o n - u n i f o r mc a p a c i t i v ec o u p l e dp l a s m a , s u c ha st h es t a n d i n gw a v ee f f e c tc o u l dl e a dt o e n h a n c e dp l a s m ad e n s i t yi nc a v i t yc e n t e r ，t e l e g r a p he f f e c ta n ds k i ne f f e c tw i l lr e s u l ti nt h e s t r o n gp l a s m ad e n s i t ya r o u n de l e c t r o d e s f o rt h ei n v e s t i g a t i o no fs p a t i a ln o n - u n i f o r m i t yo f r fc a p a c i t i v ec o u p l e dp l a s m a , ac a p a c i t i v ec o u p l e dp l a s m as o u r c ei sf o r m e d 、析t i lt h e d i s c h a r g ec h a m b e rd i a m e t e ro f3 0 0 m m ，t h el o we l e c t r o d ed i a m e t e ro f2 0 0 m m ，t h eu p p e r e l e c t r o d ei sc o n n e c t e dw i t l lt h em e t a l l i cc a v i t y ，t h a ti s ，e l e c t r o d e sa r en o ts y m m e t r i c a l r f p l a s m ae x c i t a t i o np o w e ru s e dm a i n l yb yt h es i g n a lg e n e r a t o r ，r fs i g n a ld i r e c t l yt r a n s m i tt o t h er fm a t c h i n gt h r o u g ht h er fp o w e ra m p l i f i e r s ，p o w e ro u t p u to fm a t c h i n gi sc o n n e c t e d 晰t hp o w e r e l e c t r o d e f r e q u e n c i e so f f 3 5 6 m h z ，1 9 m h z ，a n d4 1 m h z 3w a su s e d ， r e s p e c t i v e l y i i i 英文摘要 射频容性耦合等离子体非均匀特性的实验研究 h i g h - r e s o l u t i o np l a s m ae m i s s i o ns p e c t r o s c o p ys y s t e m ( o e s ) w a su s e dt od e t e r m i n e r a d i a ld i s t r i b u t i o no f7 5 0 4 r i ms p e c t r a ll i n e so fr a d i o - f r e q u e n c yc a p a c i t i v ec o u p l e da r p l a s m a , i ti n d i r e c t l yd e n o t er a d i a ld i s t r i b u t i o no ft h ea rp l a s m ae l e c t r o nd e n s i t y ，a n d r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr a d i a ld i s t r i b u t i o n a n dr a d i o f r e q u e n c y ，a i rp r e s s u r e ，c h a m b e r s t r u c t u r ea n dt h er fp o w e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fp l a s m a e m i s s i o ni n t e n s i t yh a sas t r o n gd e p e n d e n c eo nt h ep r e s s u r e ，f r e q u e n c ya n ds t r u c t u r eo f d i s c h a r g ec h a m b e r e d g ee f f e c t s ( s u c ha st h et e l e g r a p he f f e c t ，s k i ne f f e c t ，e t c ) m a k et h e p l a s m ae m i s s i o ns p e c t r u mas t r o n gs p e c t r a li n t e n s i t yn e a rt h ee d g eo ft h ee l e c t r o d e ，t h a t a l l o wi n h o m o g e n e i t yw i t h i nt h er a n g eo f2 0 0 r a mp l a s m ac i r c u m s t a n c e ss t r o n g e rt h a n 10 0 m m ；s t a n d i n gw a v ee f f e c tc a u s e se n h a n c e m e n to fs p e c t r a li n t e n s i t ya tc e n t e ro fr e a c t o r ； i na d d i t i o n ，t r a n s m i s s i o no fr a d i of r e q u e n c yw a v e si nt h ed i e l e c t r i cp l a t em a k e sp l a s m a m o r en o n u n i f o r ma st h et o pp l a t ec o v e r e dw i t hd i e l e c t r i cp l a t et h a nt h a tw i t h o u tc o v e r a g e w h e nt o pe l e c t r o d ei sc o v e r e d 、) r i t ht h ed i e l e c t r i cp l a t e ，t h es k i nd e p t hi n c r e a s e s ，w h i c h m a k e st h ee l e c t r o d ee d g eo ft h ep e a kw i d t hi n c r e a s e d e l e c t r o s t a t i cp r o b e ( l a n g m u i rp r o b e ) w a su s e dt om e a s u r ee l e c t r o nd e n s i t y , i o n d e n s i t ya n di o nf l u x t h er e s u l t ss h o wt h a th i g hf r e q u e n c yl e a dt oh i g he l e c t r o nd e n s i t y a n di o nd e n s i t yi nt h ed i s c h a r g ec e n t e r i nt h ec a s eo fh i g hp r e s s u r e ，t h e r ei so b v i o u sp e a k n e a re l e c t r o d ee d g e ，a n dt h ew i d t ho ft h ep e a k si sa f f e c t e db yd i e l e c t r i cp l a t e t e s tr e s u l t s a r ei na g r e e m e n tw i t ht h er e s u l t sf r o mt h ee m i s s i o ns p e c t r o m e t r ym e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：r fc a p a c i t i v ec o u p l e dp l a s m a , o p t i c a le m i s s i o ns p e c t r o s c o p y ，l a n g m u i rp r o b e ， s k i ne f f e c t ，s t a n d i n gw a v ee f f e c t i v w r i t t e nb ys h a oj i a ng u o s u p e r v i s e db yx i ny u 目录 第一章引言1 1 1 低温等离子体概述1 1 1 1 等离子体分类l 1 1 2 低温等离子体的研究背景和意义1 1 1 3 低温等离子体的产生3 1 2 射频等离子体放电种类3 1 2 1 射频容性耦合等离子体放电3 1 2 2 螺旋波等离子体放电4 1 2 3 感性耦合等离子体放电5 1 2 4 双频容性耦合感应等离子体6 1 3 容性耦合等离子体研究现状8 1 4 本文研究内容1 1 第二章容性耦合等离子体发生装置及诊断技术1 2 2 1 射频容性耦合等离子体发生装置12 2 1 1 容性耦合等离子体腔1 2 2 1 2 射频匹配网络1 3 2 2 等离子体的郎谬尔探针诊断技术1 5 2 2 1 静电探针的结构与类型。1 5 2 2 2 朗缪尔探针的使用条件15 2 2 3 朗缪尔单探针的工作原理1 6 2 2 4 由朗缪尔探针伏安特性曲线获得等离子体参数的方法1 6 2 2 5 探针诊断等离子体参量数的计算方法1 8 2 3 等离子体的发射光谱法诊断技术2 l 2 3 1 发射光谱在等离子体诊断中的应用2 l 2 - 3 2 等离子体发射光谱发诊断原理2 2 2 3 3 等离子体的发射光谱法诊断装置2 3 2 3 4 发射光谱法测定电子空间分布的理论2 5 第三章容性耦合等离子体均匀性的理论基础2 7 3 1 传统的低温等离子体理论2 7 3 2 容性耦合等离子体的相关模型2 8 3 2 1 等离子体电磁模式2 8 3 2 2 容性耦合等离子体非线性传输线模式2 9 3 3 容性耦合等离子体的相关效应3 0 3 3 1 等离子体驻波效应。3 0 3 3 2 等离子体表面波趋肤效应3 0 3 3 3 等离子体电报效应3 1 第四章容性耦合心等离子体光谱线强度的径向分布3 2 4 1 激发频率对容性耦合等离子体发射光谱强度径向分布的影响3 2 4 2 气压对容性耦合等离子体发射强度的径向分布的影响3 4 4 3 射频功率对容性耦合等离子体发射强度径向分布的影响3 7 4 4 实验结果分析3 8 第五章容性耦合等离子体的朗谬尔探针测量4 1 5 1 容性耦合等离子体的离子径向分布4 1 5 2 容性耦合等离子体的离子通量径向分布4 3 5 3 容性耦合等离子体的电子密度径向分布4 4 第六章总结4 6 参考文献4 7 攻读硕士研究生过程中发表的论文5 0 致谢51 射频容性耦合等离子体非均匀特性的实验研究第一章引言 i i 低温等离子体概述 i i i 等离子体分类 第一章引言 等离子体是物质存在的第四种状态【1 1 ，它由电离的导电气体组成，其中包括六种 典型的粒子，即电子、正离子、负离子、激发态的原子或分子、基态的原子或分子以 及光子。 事实上，等离子体就是由上述大量正负带电粒子和中性粒子组成的，并表现出集 体行为的一种准中性气体，也就是高度电离的气体。无论是部分电离还是完全电离， 其中的负电荷总数等于正电荷总数，所以叫等离子体。 1 按等离子体焰温度分： ( i ) 高温等离子体：温度相当于1 0 8 1 0 9k 完全电离的等离子体，如太阳、受 控热核聚变等离子体。 ( 2 ) 低温等离子体：温度低于1 0 8k 的等离子体，叉可分为：热等离子体：稠 密高压( 1 大气压以上) ，温度1 0 3 1 0 5 k ，如电弧、高频和燃烧等离子体。 冷等离子体：电子温度高( 1 0 3 1 0 4 k ) 、气体温度低，如稀薄低压辉光放电等离 子体、电晕放电等离子体、d b d 介质阻挡放电等离子体。 2 、按等离子体所处的状态： ( 1 ) 平衡等离子体：气体压力较高，电子温度与气体温度大致相等的等离子体， 如常压下的电弧放电等离子体和高频感应等离子体。 ( 2 ) 非平衡等离子体：低气压下或常压下，电子温度远远大于气体温度的等离 子体。电子在与其它粒子的碰撞过程中几乎不损失能量，t e ( 电子温度) t i ( 离子温 度) t n ( 中性粒子温度) ，此时电子具有足够高的能量使反应物分子激发离解电离。 i i 2 低温等离子体的研究背景和意义 低温等离子体一方面可以有助于生成化学活性物质，另一方面使得反应体系可以 第章引言射频容性耦合等离子体非均匀特性的实验研究 维持低温，甚至可以接近室温。所以低温等离子体一直受到很多关注，可以广泛应用 于薄膜沉积，薄膜表面处理，薄膜刻蚀。 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【4 ，5 】。如在 低温等离子体刻蚀工艺中，首先是在把硅晶片上面涂抹一层由碳氢化合物构成的光敏 物质，并在光敏物质上盖上具有一定图形规则的金属模板，然后进行紫外曝光，使部 分晶片的表面裸露出来。接着再把这种待加工的硅晶片放置到具有化学活性的低温等 离子体中，进行等离子体刻蚀。这种具有化学活性的等离子体通常是由氯气或碳氟气 体放电产生的，它不仅含有电子和离子，还含有大量的活性自由基。这些活性基团沉 积到裸露的硅晶片上时，与硅原子相互结合而形成挥发性的分子，从而对晶片进行各 向异性刻蚀。另一方面，为了控制轰击到晶片上离子的能量分布和角度分布，还通常 将晶片放置在一个施加射频或脉冲偏压的电极上面，在晶片的上方将形成一个非电中 性的等离子体区，即鞘层。等离子体中的离子在鞘层电场的作用下，轰击到裸露的晶 片表面上，并与表面层的硅原子进行碰撞，使其溅射出来，从而实现对晶片的各向异 性刻蚀。 等离子体刻蚀工艺的核心问题是在提高刻蚀速率的同时，又能保证刻蚀过程具有 的均匀性、较高的各向异性以及较低的辐照损伤。这不仅仅是一个单纯的技术性问题， 重要的是要对刻蚀过程中涉及到的一些复杂物理问题进行深层次的研究。这些物理问 题包括低气压放电条件下大面积高密度均匀等离子体的产生机理与方法、外界放电参 数如电源功率、频率、放电气压以及放电模式等对等离子体参数的调控行为、鞘层的 物理特性、带电粒子尤其是离子与晶片表面的相互作用机理、刻蚀剖面演化规律等。 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 dp l a s m a , 简 称c c p ) 刻蚀【2 - 5 1 ，这种方法能够获得比较垂直的刻蚀侧边。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 er e s o n a n c e p l a s m a ) ，它可产生1 0 1 1 1 0 1 2 c m 。3 的高密度等离子体，但这种技术需要很大的磁场线 圈，设备庞大，造价较高，而且由于磁场的存在会导致等离子体不够均匀；再者这种 设备很难产生大1 2 1 径的等离子体。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 2 射频容性耦合等离子体非均匀特性的实验研究第一章引言 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，且造价较低，这 为亚微米加工提供了另一种可选择的方法。9 0 年代初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温高 密度等离子体，而且本身是无电极放电，没有电极污染，但h w p 和i c p 同样存在 不均匀和难以产生大口径等离子体问题。进入2 1 世纪，大面积集成电路的生产要求 大口径的均匀等离子体。而容性放电能够提供大面积放电，但随着电极面积和射频频 率的增加，容性放电也存在一系列不均匀问题。 1 1 3 低温等离子体的产生 低温等离子体可以通过射频等离子体放电，微波等离子体放电，辉光放电，电晕 放电，介质阻挡放电，射流放电，大气压辉光放电，电晕放电，介质阻挡放电，滑动 电弧放电，直流等离子体放电和直流喷射等离子体放电等【6 】。 1 2 射频等离子体放电种类 射频等离子体发电是应用射频电源作为驱动电源，从而激发等离子体的放电类 型。根据射频等离子体放电的激发方式有容性耦合等离子体放电，螺旋波放电，感应 耦合等离子体放电和双频容性耦合等离子体放电。 1 2 1 射频容性耦合等离子体放电 射频容性耦合等离子体放电系统也可称为“射频二极放电系统 ，其结构如图 1 1 所示【3 】。它由一个真空腔体，两个接到射频电源的平板电极，射频功率通过电容 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 反应性等离子体的刻蚀工艺。 在c c p 放电中，电极和等离子体间形成一个高压性鞘层，流过鞘层区的射频电 流导致了鞘层区的随机加热( 或无碰撞加热) ，而流过主等离子体区的射频电流则导致 了主体区内的欧姆怕加热( 或碰撞加热) 。与其它等离子体源相比，当射频波长远大 于腔体尺寸且电极为对称电极时，主要以激发电场模式( e 模式) 放电，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。在较低气 第一章引言 射频容性耦合等离子体非均匀特性的实验研究 压下( 如1 1 5 p a ) ，利用c c p 源可以得到一定程度上的各向异性刻蚀效果。这种等 馈气口 衬底一 h 1 _ _ ： ，、v、v 鞘层一一 厂 二二孕青鬣二 z 一e 暇予l 奴# 两魂j乙 n 、】v 一 1 ll 真空泵 图1 1 射频容性耦合等离子体放电装置 离子体源的驱动频率通常是1 3 5 6 m h z ，由于这个频率广泛应用于工业生产中，被称 为工业频率。但在这个频率下，c c p 产生的等离子体电子密度相对较低，约为 1 0 9 1 0 1 1 c m 3 ，电子温度约在几个电子伏特左右。 应用容性耦合等离子体源能够解决等离子体均匀性，产生较低密度的等离子体， 降低了刻蚀或沉积速率。通过提高射频频率可以导致等离子体密度的增加，从而提 高了刻蚀或沉积的速率。 1 2 2 螺旋波等离子体放电 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 射频波，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 具有横波模式结构且沿着等离子体柱的的轴向传播，电磁波的能量则通过碰撞或无 碰撞阻尼被电子吸收，装置如图1 2 可以看出，螺旋波等离子体( h e l i c o nw a v e p l a s m a ，即h 帅) 与电子回旋共振加热e c r 同属波加热的等离子体的等离子体源。 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 4 射频容性耦合等离子体非均匀特性的实验研究 第一章引言 子体源所需的磁场( 1 0 0 g ) 较微波e c r 装置( 8 7 5 g ) 小得多，因此其成本较e c r 源低。另外，螺旋波等离子体源采用射频源作为电源，而不是微波源，也使其成本 比e c r 低很多。目前所用的螺旋波等离子体材料处理设备中，材料处理室都被设 图1 2 螺旋波等离子体 计在源区的下游，由于低长宽比的螺旋波等离子体源还没开发出来，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圆晶台附近的 电磁线圈，使从源区过来的等离子体不发射，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。一种是圆柱形线 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 向感应出射频电场图1 3 ( a ) 。另一种是采用盘香形线圈盘踞于腔体的上方电介质板外， 第一章引言射频容性耦合等离子体非均匀特性的实验研究 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 天线的结构来控制图1 3 ( b ) 。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。 o i e l e c t r b 陬n i a , s 图1 3 感应耦合等离子体源 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 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非常均匀。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。 1 2 4 双频容性耦合感应等离子体 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 6 射频容性耦合等离子体非均匀特性的实验研究第一章引言 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 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。 m 陛竖翻：y 厂_ 高蝴_ jlr ，iz 毒 l争焉千 缸 置 如： 1r r 心义心s r qr r s r 心冈誊由离 v 翻 l 广= i 一一兀、一一一一 i幽曼鲴弋步p 1r q ；雌再f 晤 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 h 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 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 趾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； 7 第一章引言 射频容性耦合等离子体非均匀特性的实验研究 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 容性耦合等离子体研究现状 射频驱动的容性藕合放电等离子体在工业生产上有着广泛的应用范围，因此在近 十年，有关容性藕合放电等离子体的研究不断发展。研究者利用计算模拟方法、解析 方法和实验测量的方法对射频容性耦合放电过程进行了大量的研究，使得我们对这种 放电过程的基本物理性质得到了解。 在l i e b e r m a nma 出版的等离子体放电原理与材料分析一书中提到了经典的 均匀模型 3 1 ，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【6 l ，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制：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； 8 射频容性耦合等离子体非均匀特性的实验研究第一章引言 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y t l - 9 1 。 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 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，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 1 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 4 , 1 5 】，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 m 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1 6 7 】。 l e ejk 等人随后提出了另外一种电子非正常加热【1 8 1 9 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 热及欧姆加热机制的增强【1 4 ，”1 ；k i mhc 等人引入了有效参量( 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剐1 4 _ 5 1 。 9 第一章引言射频容性耦合等离子体非均匀特性的实验研究 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 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