双频容性耦合等离子体刻蚀工艺的物理基础ppt课件

.,双频容性耦合等离子体物理特性的研究*王友年大连理工大学物理与光电工程学院*国家自然科学基金重点项目资助课题,.,内容一、等离子体刻蚀技术的发展趋势及存在的问题二、几种有代表性的等离子体源三、描述DF-CCP物理过程的解析模型四、描述DF-CCP物理过程的混合模型五、直流偏压效应六、有关实验工作进展,.,一、等离子体刻蚀技术的发展趋势及问题低温等离子体刻蚀技术在微纳制造工艺中得到广泛地应用，如超大规模集成电路、微机械系统、微光学系统的制备。,1）半导体芯片加工2）微电机系统（MEMS)加工3）平板显示器的加工4）衍射光栅的制备,微齿轮,微结构,.,集成电路发展趋势:加工晶圆的面积更大特征尺寸越来越小集成度越来越高,对等离子体源的要求:高的刻蚀率高度的均匀性高度的各向异性高度的选择性较低的介质损伤,等离子体刻蚀工艺的趋势,.,均匀性刻蚀的均匀性包含两层意思：1）宏观的不均匀性：在晶片的径向上造成的刻蚀率和刻蚀剖面的不均匀性。2）微观不均匀性：在每个微槽的底部和侧面造成的刻蚀不均匀性。,等离子体密度,0,R,.,为了适应纳电子器件的制备工艺，必须要：1）提出大面积、高密度、均匀等离子体的新方法；2）提出优化刻蚀工艺的新方法。,实验(或工艺)研究计算机仿真模拟,.,1、平板式是射频容性耦合等离子体(CCP)源,plasma,RFpower13.56MHz,进气,抽气,介质,电极,开始于上个世纪70年代，主要用于反应性等离子体刻蚀工艺。,单频CCP源的主要优点：1.工作气压比较低（mTorr)2.能够产生比较均匀的plasma3.结构简单，造价低.,二、几种有代表性的等离子体刻蚀源,.,根据熟知的定标关系可知：等离子体密度正比于驱动电源频率的平方和施加的偏压，即当电源频率w一定时,要提高等离子体密度，唯一的途径是增加施加偏压。但增加施加的射频偏压时，轰击到晶片上的离子能量也随着增加。太高的离子能量，将对晶片造成不必要的介质损伤。早期使用的都是单一频率射频电源（13.56MHz)驱动放电的CCP源，很难实现对等离子体密度（正比于刻蚀率）和入射到晶片上离子的能量分布的独立控制。,.,2、微波电子回旋共振(ECR)/RF偏压等离子体刻蚀源,.,.,3、射频感应耦合等离子体(ICP)/RF偏压刻蚀源,.,RFbiasedelectrode,wafer,coil,Insulatingplate,平面线圈感应耦合等离子体源,主电源（连接在线圈）控制等离子体的状态；偏压电源（施加在芯片台上）控制离子轰击晶片上的能量分布。,.,感应耦合等离子体(ICP)源的特点,特点,解决的问题,工作气压低(d.,x=0,x=d,LF,HF,.,InfluenceofHF-powerfrequencyonplasmadensity,P=100mTorr,Vh=200V,Vl=400Vfl=2MHz,fh=20,30,60MHz,.,P=50mTorr,Vh=50V,Vl=100V,fh=60MHz,fl=2,5,10,13.56MHz,InfluenceofLF-powerfrequencyonplasmadensity,.,P=100mTorr,Vh=200V,Vl=400Vfl=2MHz,fh=20,30,60MHz,InfluenceofHF-powerfrequencyonsheathvoltagedrop,平均鞘层电位降：与解析模型的比较,.,fh=30MHz,P=50mTorr,Vh=200V,Vl=400V,fl=2MHzP=100mTorr,Vh=200V,Vl=400V,离子入射到电极上的能量分布,.,HFpower,LFpower,H,2R,D,SchematicdiagramofDF-CCP,H=2.45cm2R=43.18cmD=6.35cm,Two-dimensionalmodel,.,I.InfluenceofhighfrequencyfH,averagedelectrondensity:,27MHz,40MHz,60MHz,VHF=50V,VLF=100V,fL=2MHz,p=100mTorr,TheelectrondensityincreasessignificantlyasincreasingvaluesoffL.,.,averagedelectrontemperature:,27MHz,40MHz,60MHz,VHF=50V,VLF=100V,fL=2MHz,p=100mTorr,TheelectrondensityincreasesslightlyasincreasingvaluesoffL.,.,II.influenceoflowfrequency,12MHz,Withtheincreaseoflowfrequency,twosourcesbecomefromdecouplingtocoupling,andtheelectrondensityincreasessignificantlywhentwosourcescoupling.,2MHz,6MHz,averagedelectrondensity:,VHF=50V,VLF=100V,fH=60MHz,p=100mTorr,.,Averagedelectrontemperature:,2MHz,Withtheincreaseoflowfrequency,thetemperatureofelectronsincreasesslightly.,6MHz,12MHz,VHF=50V,VLF=100V,fH=60MHz,p=100mTorr,.,EzinaLFperiod:,VHF=50V,VLF=100V,fLF=2MHz,fHF=60MHz,p=100mTorr,.,ErinaLFperiod:,VHF=50V,VLF=100V,fLF=2MHz,fHF=60MHz,p=100mTorr,.,FluidsimulationsforCF4plasmas(1D),BasicmodelCF4plasmaisanelectronegativedischarge,i.e.,therearenonegativeionsinthedischarge.Theplasmaiscomposedofneutrals(atomsandmolecules),electrons,positiveions,andnegativeions.,.,Therearemorethan30reactionequationsinthedischarge.,.,Forsimplification,weconsideronlyfourreactionprocesses,i.e.,Ionization:CF4+eCF3+F+2eAttachment:CF4+eCF3+F-Recombination:CF3+eCF3Dissociation:CF4+eCF3+F+eandfourspeciesofparticles:electrons,CF4,CF3+,F-,.,PlasmaPhysicsModel(electronsandions):,Kiionizationrate,Kaattachmentrate,Krecrecombinationrate,.,fL=2MHz,fH=60MHz,VL=2000V,VH=1000V,Ddielectric=0.5mm,Numericalresults,Influenceofthedischargepressureonchargedparticledensities,.,InfluenceoftheHFvoltageonchargedparticledensities,fL=2MHz,fH=60MHz,VL=1000V,p=100mTorr,Ddielectric=0.5mm,.,五、直流偏压效应,Localelectricfieldwithinmicrotrough,Positivechargedaccumulatedondielectric,Sideetching,E,.,plasma,LF,DC,HF,抑制正电荷积累的方法:DF-CCP/DC协同放电,.,.,1DPIC/MCsimulationsforArdischarges,.,.,.,.,.,OurrecentpublicationsaboutsimulationsofDF-CCP,1.Z.Q.Guan,Z.L.DaiandY.N.Wang“Simulationsofdualrf-biasedsheathsandionenergydistributionsarrivingatadualrf-biasedelectrode”,PHYSICSOFPLASMAS12,123502(2005)2.Z.L.Dai,X.XuandY.N.Wang“Aself-consistenthybridmodelofadualfrequencysheath:Ionenergyandangulardistributions,Phys.Plasmas14,013507(2007)3.W.Jiang,M.MaoandY.N.Wang“Atime-dependentanalyticalsheathmodelfordual-frequencycapacitivelycoupledplasma”,Phys.Plasmas13,113502(2006)4.S.Wang,X.XuandY.N.Wang“Numericalinvestigationofionenergydistributionandionangledistributioninadual-frequencycapacitivelycoupleplasmawithahybridmodel”,bepublishedinPhysicsofPlasmas,.,Improvinghybridsimulations,including1DsimulationsforCF4orCF4/Ardischarges2DsimulationsforCF4orCF4/Ardischarges,Interestingquantities:Energydistributionfunctionsofdifferentspeciesions(suchasAr+,CF3+)atsubstrates;Angledistributionfunctionsofdifferentspeciesions(suchasAr+,CF3+)atsubstrates;Energyandangledistributionsofradicalsatsubstrates.,Radialvariations,Nextplanforoursimulations,.,Self-consistentstudyforthestanding-waveeffectsinHF-CCP,2Dfluidmodel,2DMaxwellequations,.,六、有关实验研究工作进展,1、大连理工大学DF-CCP放电装置及诊断系统的研制完成人：陆文琪、徐勇、朱爱民、王友年等目前已完成双频条件下的实验调试，正在进行实验诊断系统的安装和调试,.,质谱仪,探针,特点：1）高、低频电源可以接在同一电极或不同的电极上；2）两个电极的距离可调：15mm-30mm;3）配有Langmuir探针、衰荡光谱、质谱诊断系统,光谱仪,（1）双频电源（从日本购置）（2）反应室（沈阳科学仪器厂）（3）离子能量-质量分析器（英国Hiden公司）（4）射频探针、衰荡光谱系统（自行研制）,.,DF-CCP装置,.,2、苏州大学DF-CCP放电装置及诊断系统的研制高频：60MHz低频：2MHz、13.6MHz完成人：辛煜、宁兆元等目前已开展双频条件下的实验诊断研究，如测量双频条件下的等离子体密度、电子能量分布的测量。,.,双频容性耦合等离子体装置,苏州大学,.,HF:50W,E(eV),高频(60MHz)放电情况下电子的能量分布