新型低温等离子体技术及应用

1、广东技术师范学院学报(自然科学 )2010年第 1期JournalofGuangdongPolytechnicNormalUniversityNo1，2010新型低温等离子体技术及应用王春安 闫俊虎(广东技术师范学院，广东 广州 510665)摘 要：等离子体尤其是低温等离子体由于其一系列特殊的性质，广泛应用于薄膜沉积、微电路干法刻蚀、材料表面改性等方面。本文介绍了目前经常采用的几种新型低温等离子体技术，电子回旋共振(ECR)等离子体、射频感应耦合(ICP)等离子体、以及螺旋波(HWP)等离子体。这几种等离子体由于无内电极放电无污染、等离子体密度高、能量转换率高、电离度高等优点必将在传统工艺的

2、基础上得到更广泛的应用。关键词：低温等离子体；ECR等离子体；ICP等离子体；HWP等离子体中图分类号：0 43414文献标识码：A文章编号：1672402X(2010)010022040 引 言大量的粒子在热激发、光激发、电激发下会产生电离，形成由离子、电子、自由基、及中性粒子组成的空间体系，当带电粒子密度达到其建立的空间电荷足以限制其自身的运动时。这种电离气体就成了等离子体等离子态体的基本性质在于它的准电中性，即等离子体中的正电粒子数和负电粒子数相当在等离子体内，电子和离子质量的巨大差导致存在两种不同的温度 (能量 )，如果电子温度远大于离子温度既 电子温度在 l04K以上 ，而重粒子的温

3、度却可低至几百 K，这种等 离子体称为低温非平衡等离子体低气压低温等离子体由于其一系列特殊的性质，在材料表面改性、等离子体溅射和化学气相沉积薄膜、等离子体清洗、微电路干法刻蚀等方面有更广泛的应用1 本文主要介绍目前得到广泛研究与应用的几种新型低温低气压辉光放电等离子体。即电子 回旋共振 ECR等离子体等离子体 fECR：ElectronCyclotron Resonance)、射频感应耦合等离子体 (ICP：Inductively Coupled Plasma)、螺旋波等离子体 fHWP：HeliconWavePlasma)，1 电子回旋共振等离子体电子回旋共振 (ECR)是指在磁场中受洛伦兹

4、力作用作回旋运动的电子在磁场强度 为 875Gauss处收稿日期：2010一O116它的回旋频率和沿磁场方向传播的右旋极化微波频率 2450MHz相等 ，电子在微波电场中将被不断同步加速而获得的能量大于离子获得的能量，使得即使在接近常温下，如果在两次碰撞之间电子共振吸收微波的能量大于气体粒子的电离能、分子离解能或某一状态的激发能。那么将产生碰撞电离、分子离解和粒子激活从 而实现等离子体放电和获得活性反应粒子，形成高密度的ECR低温等离子体ECR等离子体有如下的优点：1等离子体密度高，约有 l010Ym ；2离子能量低，避免了离子轰击造成的材料表面损伤和缺陷的产生；3无内电极放电无污染；4磁场约

5、束。减少了等离子体与器壁的作用；5放电气压低，约有 10也一10Pa；6能量转换率高，电离度高(l0)，对微波的吸收率高达 95以上；7低温下激发的高密度活性基有利于高温材料的低温合成上述优点使得 ECR等离子体在等离子体微细干法刻蚀、等离子体辅助化学气相沉积、材料表面处理等方面具有广泛的应用前景 ECR等离子体化学气相沉积 (ECRPECVD)采用 ECR等离子体辅助充分利用磁场对等离子体的定向输运和约束，以及离子轰击能低、等离子体密度大的优点来在样品台附近获得大量的等离子体活性自由基，实现需要高温生长条件薄膜的低温沉积。克服了薄膜在生长过程中因高温造成晶格热失配而产生的晶格缺陷和裂痕保证

6、了高质量薄膜的生长这一 工艺有效弥补了目前常用的基于直接加热分解技作者简介：王春安(1982一)，女，内蒙古牙克石人，广东技术师范学院电子与信息学院助教，研究方向：凝聚态物理学。第 1期王春安 闫俊虎：新型低温等离子体技术及应用23术的有机金属化学气相沉积(MOCVD)方法生长薄膜温度高、工艺复杂、成本高的不足 7j励氆线圈电爵墁因徽因工作气体工作气体真空系统a)紧凑型装置b)延长型装置图 1 ECR等离子体装置示意图如图 1是 两种常用的紧凑型和延长型 ECR等离子体放电装置，延长型 ECR产生装置 主要由 BJ22 波导管、两组环形对称励磁线圈、共振腔、反应室、样品台、真空系统、配气系统等

7、组成TEl0微波通过石英耦合窗馈人共振腔中在共振层处 电子回旋共振吸收微波能量产生高密度 ECR等离子 体，在磁场梯度的作用下等离子体向下级扩散至整个反应室空间。样品台放置在反应室下游区位置在这一 区域没有磁场影响且等离子体均匀分布，薄膜生长，材料表面改性等均可以在这一区域完成如 FuSL等人采用 ECRPECVD工艺在 T=450C低温下制 备出了GaN薄膜引2 射频感应耦合等离子体射频感应耦合(ICP)等离子体源的早期研究始于20世纪初 Thomson和 Townsend，以及 Wood等开创性的工作，但当时的工作气压还在几百帕，且等离子体产生尺度范围还很窄而得不到广泛的应用直 到最近的

8、l0年 ，低压、高密度大直径的 ICP等 离子体源才在生产中得到使用 帕图 2是 目前流行的两种不同 RF射频感 应耦合等离子体装置一种是圆筒型，即射频耦合天线螺旋缠绕在柱形放电管 (通常 是绝缘石英管 )周围，一种是平面型，即射频耦合天线同心螺旋放置在放电管的顶部射频能量通过 天线耦合到放电管中，产生高密度均匀的 ICP等 离子体 7ICP等 离子体产生原理是通过匹配网络将 1356MHz射 频功率加到螺旋线圈天线上产生射频磁通，射频磁通在真空圆筒形容器内部轴向感生射频电场真 空容器中的电子被感生电场加速被 电场加速的电子与气体分子剧烈频繁碰撞使气体 分子被激发、电离及离解而形成 ICP等离

9、子体射频腔源a)圆筒型 ICP等离子体产生装置射频源，一r 。一 _1一、 、基片台；= ；乏b)ZlzN型 ICP等离子体产生装置频线t磁c)ICP等离子体放电原理图 2 射频感应耦合等离子体装置示意图ICP等离子体除了具有 ECR等离子体的无内电极放电无污染，等离子体密度高(10 )等特点外，成本低的优势使得其应用范围更广泛ICP等离子体增强气相沉积 (ICPECVD)是化学气相沉积技术的一种其 基本原理是将射频放电的物理过程和化学气相沉积相结合，利用 ICP等离子体裂解反应前驱物如制备高硬度、耐高温耐腐蚀的 SiN 薄膜 1iICP等离子体的另一个主要工业应用就是等离子体干法刻蚀，特别是

10、反应离子刻蚀(RIE)ICP等离子体干法刻蚀能够克服湿法刻蚀严重的钻蚀效应及各向同性的缺点，具有选择性、各向异性等特点，广泛应用于高集成度的微电子学集成电路的设计当中如采用 C1：等离子体对 PGaN薄膜进行 干法刻蚀 |1另外 ，ICP等离子体还广泛应用于辅助磁控溅射、电子束蒸发工艺中，作为离子源来增强反应条件以及降低反应温度3 螺旋波等离子体螺旋波fhelicon)是一种在与磁场平行的等离子24王春安 闫俊虎：新型低温等离子体技术及应用第 1期体柱中传播的哨声波模式，利用一种环绕于玻璃或石英管外壁的天线与磁化等离子体中的右旋极化波的共振可 以非常有效地通过朗道吸收加热电子，产生高密度螺旋波

11、 (HWP)等离子体 ”它最 早在 1960 年由 Aigrain提 出来2O世纪 70年代 初，Boswel等人第一个在 02Pa、0045T约束磁场条件下 ，获得了等离子体高达 10Ym、中性原子完全电离的 HWP 等离子体1985年 ，FFChentH对 HWP等离子体 的产生机制提出了理论解释认 为螺旋波是通过朗道阻尼的方式加热电子的，这一提法得到了 Shoji15和Boswel16等人实验的验证并得到人们的普遍接受螺旋波是通过朗道阻尼的方式将能量传输给电子的。因此要求射频天线能很好地将射频能量耦合传递给螺旋波。所 以天线的尺寸并不是任意的螺旋波的传输模式决定于天线的结构图 3是一种螺

12、旋波激发等离子体源装置，图4是常用的天线结构期的、大量的研究，而国内最近 10年才 开展了这方面的研究 17,184 结束语微加工工艺、超大规模集成电路以及半导体薄膜器件 Et新月异的发展，对低温等离子体技术提出了更高的要求本文介绍的 ECR等离子体、RFICP等离子体、HWP等离子体等离子体，是目前受到广泛研究并具有巨大工业应用潜力的低温等离子体放电技术ECR、RFICP、HWP新型等离子体具有的共同特点是：电磁波激发、低气压放电、无内电极、等离子体密度高、能量转化率高不同之处主要在于放电原理的不同：ICP是射频感应电场作用、ECR是电子回旋共振、HWP是朗道阻尼另外，ECR采用微波激励和强

13、磁场约束，放电面积大、等离子体密度均匀，但设备较复杂和昂贵ICP和 HWP虽然都是射 频放电，图 3 螺旋波等离子体装置卣(a)Boswel型(b】INagoyaI型(c)Shoji型图 4 几种常用的天线位形与 ICP等离子体相 比。HWP等离子体虽然同样采用射频源激励，但增加了个外磁场，这个外磁场与ECR等离子体的磁场相比强度要小的多与其他的等离子体相比。HWP等离子体的优点有：1、具有非常高的等离子体密度以及电离效率，在 l0 Pa量级放电气压下等离子体密度达到 10Bam，比ECR等离子体高一个数量级；2、HWP等离子体装置相对简单但等离子体的稳定性、易操作性优良作为一种新的低气压、高

14、密度等离子体源，螺旋波等离子体在超大规模集成电路工艺，微机械加工，薄膜材料制备，材料表面改性以及气体激光器等方面有广泛的应用前景日本、美国、澳大利亚等国都在对它进行了长但 HWP加 了一个弱磁场，HWP等离子体装置相对简单但等离子体的稳定性、易操作性优良这三种低温等离子体技术在工业应用方面的优势和魅力在于等离子体自加热条件下就能获得反应所需要的活性粒子这是传统的直接加热方式的高温化学工艺手段所无法实现的。这种根本 上的优势将会微电子加工工业带来革命性的变化以及无限的商机参考文献：1孟月东，钟少锋，熊新阳低温等离子体技术应用研究进展J物理，2006，35(2)：1401462李定，陈银华等等离子

15、体物理学 M北京：高等教育出版社20063菅井秀郎等离子体电子工程学 M北京：科学出版社，20014Fu Silie，Chen Junfang，Li Yun，eta1Opticalemissionspectroscopy of electron cyclotron resonance plasmaenchanced metalorganic chemical vapor deposition processfordepositionofGaN filmJplasmasciencetechnology2008，10(1)：70-735徐新艳，汪家友，杨银堂，等微波 ECR等离子体刻蚀系统J真空科

16、学与技术，2002，22(5)：3853886ChiangM J，LungBH，HonMHLow-pressuredepositionof diamond by electron cyclotron resonance microwaveplasmachemicalvapordepositionJJournalofCrystalGrowth，2000，211：2162197ItagakiNaho，Ueda Yoko，IshiiNobuo，eta1Production oflow electron temperature ECR plasma for plasma processingJThin

17、SolidFilms，2001，390：202207第 1期王春安 闰俊虎：新型低温等离子体技术及应用258Fu Silie， Chen Junfang，Zhang Hongbin，et a1Characterizations of GaN ilmf growth by ECR plasmachemicalvapordeposition JJournalofCrystalGrowth，2009311：3325-33319李效白等离子体微细加工技术的新进展J真空科学与技术，2000，20(3)：17918610Paranjpe A PModeling an inductively coupled

18、 plasma sourceJJVacSciTechnology1994，12(4)：1221122411樊双莉，陈俊芳，吴先球等直管式反应室感应耦合等离子体技术制备氮化硅薄膜研究 J华南师范大学学报(自然科学版)，21304，4：666912吕玲，龚欣，郝跃感应耦合等离子体刻蚀 p-GaN的表面特性J物理学报，2008，57(2)：1128113213BoswelR W，Chen F FHelicons-The Early YearsJ】IEEETransactionsonPlasmaScience，1997,25(6)：1229-124414ChenFFLandaudampingofheliconwsavesJ】AustralianNationalUniversity ReportANUPRL IR8512，198515KomoriA，ShojiT，MiyamotoK，eta1HeliconWavesand EficientPlasmaProductionJPhysFluidsB，1991，B3(4】：893-89816EllingboeA R，BoswellR WCapacitive，inductive andheliconwave modesof operation ofa helicon plasma sourceJPhysPlasma，1996，3：27