雙頻容性耦合等離子體中電子無碰撞反彈共振加熱.pdf

1、雙頻容性耦合等離子體源(Dual Frequency Capacitively Coupled Plasma，DF-CCP)由于具有獨(dú)立控制等離子體密度和轟擊到極板表面上的離子能量以及能產(chǎn)生大面積均勻等離子體等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用到微電子制造和平板顯示器工業(yè)中的薄膜沉積和刻蝕工藝。在DF-CCP中，低頻源的引入使得放電過程變得更加復(fù)雜，產(chǎn)生了許多新的物理問題，如高低頻之間的耦合問題以及當(dāng)高頻頻率較高時(shí)駐波效應(yīng)引起的等離子體徑向非均勻性問

2、題等。低頻源引起的射頻干擾使得傳統(tǒng)的補(bǔ)償型朗繆爾探針診斷手段難以使用，這就對等離子體的診斷提出了更高的要求。在容性耦合等離子體中，由于電子加熱是維持射頻放電的根本，所以DF-CCP中電子的加熱機(jī)制一直是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)問題。
　　一般認(rèn)為射頻容性耦合放電中存在兩種典型的電子加熱機(jī)制:i）在體等離子體區(qū)，與電子和中性粒子碰撞相關(guān)的歐姆加熱;ii）在鞘層一等離子體邊界處，電子和振蕩的鞘層邊界相互作用產(chǎn)生的隨機(jī)加熱（或無碰撞加熱）。前者在

3、高氣壓放電情況下起主導(dǎo)作用，而后者主要是在低氣壓下維持等離子體放電。近年來，由于人們對低氣壓(～ mTorr)下射頻等離子體刻蝕工藝的逐漸重視，無碰撞加熱機(jī)制成為當(dāng)前的一個研究熱點(diǎn)。唯像的“硬壁(hard wall)”模型經(jīng)常被用來描述這種無碰撞加熱，同時(shí)需要假設(shè)打破這種電子運(yùn)動和電場協(xié)同作用的相位隨機(jī)化機(jī)制的存在，來解釋為什么大量電子能夠在一個射頻周期內(nèi)從振蕩的電場中獲得凈能量。一般來講，早期大部分的研究都考慮電子僅僅和一個振蕩的鞘層

4、相互作用，不考慮之后還會發(fā)生什么現(xiàn)象。在1991年，Wood通過粒子模擬發(fā)現(xiàn):在低氣壓容性放電中，存在著一種雙鞘層協(xié)同加熱機(jī)制，也就是所謂的反彈共振加熱。該加熱機(jī)制后來被人們通過理論，數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了廣泛地研究。然而，這些研究主要是針對低能電子的反彈共振加熱。這些共振電子的能量太小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于激發(fā)或電離閾值，因此不會對等離子體的宏觀性質(zhì)產(chǎn)生影響。
　　本文研究的主要目的是:在DF-CCP(60/2 MHz)放電裝置上，對高能電子

5、的反彈共振加熱行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并結(jié)合PIC/MCC(Particle-In-Cell and Monte-Carlo Collision)模擬，研究電極間隙、放電氣壓及雙頻電源參數(shù)（功率及頻率）等對反彈共振加熱過程及等離子體密度和發(fā)光強(qiáng)度的影響，從深層次上揭示電子反彈共振加熱的物理機(jī)制，為半導(dǎo)體芯片制造工藝中等離子體刻蝕設(shè)備的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。
　　在第一章緒論部分，介紹了雙頻容性耦合等離子體源的應(yīng)用背景，以及幾種常見等離子體源

6、的特性，接著重點(diǎn)介紹了容性放電中電子加熱機(jī)制的研究進(jìn)展，以及現(xiàn)有的研究中存在的不足。
　　在第二章中，介紹了CCP中通常采用的探針、光譜和質(zhì)譜三種診斷方法，簡單綜述了這幾種實(shí)驗(yàn)診斷方法在CCP中的研究進(jìn)展。
　　在第三章中，針對低氣壓DF-CCP中電正性氬氣放電，開展了高能電子反彈共振加熱行為的研究。在實(shí)驗(yàn)研究方面，分別利用全懸浮雙探針、可移動光探針以及減速場能量分析儀，對不同放電條件下的等離子體密度、光譜強(qiáng)度以及下極板上的

7、電子能量分布進(jìn)行了測量。實(shí)驗(yàn)上首次觀察到，在低氣壓放電下，當(dāng)驅(qū)動頻率和電極間隙滿足一定的共振條件時(shí)，等離子體密度及發(fā)光強(qiáng)度在某一間隙下存在一個反常的共振峰，并且在這種情況下有大量的高能電子轟擊到下極板。為了進(jìn)一步深入理解這種共振峰產(chǎn)生的物理原因，我們利用PIC/MCC方法對這種放電過程進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明:由快速鞘層擴(kuò)張產(chǎn)生的高能電子束經(jīng)過半個射頻周期穿過體等離子體區(qū)和對面擴(kuò)張的鞘層相互作用，這時(shí)就發(fā)生了反彈共振加熱現(xiàn)象。這樣的電子束可

8、以在兩個交互擴(kuò)張的鞘層邊緣來回反彈，在每次和擴(kuò)張的鞘層相互作用中獲得能量。這些高能電子在反彈共振過程中與背景氣體碰撞增強(qiáng)了激發(fā)和電離率，從而使光譜強(qiáng)度和等離子體密度產(chǎn)生共振峰。另外還揭示出，隨著電極間隙的增加，參與共振的電子所需能量的最小值以及共振電子獲得能量的最大值均增加，同時(shí)共振電子的數(shù)量銳減。在不同間隙下，共振電子的數(shù)量和能量共同決定著反彈共振加熱的效率，這就使得當(dāng)驅(qū)動頻率為60 MHz時(shí)，在電極間隙L=2cm時(shí)，反彈共振加熱效應(yīng)

9、最強(qiáng)。最后，研究了反彈共振加熱對等離子體的徑向均勻性的影響，發(fā)現(xiàn)反彈共振加熱能夠增強(qiáng)極板中心區(qū)的放電，使得等離子體密度沿徑向呈拋物分布，造成等離子體徑向分布不均勻。
　　在第四章中，進(jìn)一步研究了氬氣放電中不同放電參數(shù)對反彈共振加熱的影響。在較高的氣壓下，強(qiáng)烈的碰撞阻礙了持續(xù)的反彈共振加熱，共振加熱受到抑制。在電正性氬氣放電中，高頻電源的功率對共振加熱影響比較小，然而高頻頻率對共振間隙有著顯著的影響。PIC/MCC模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電子反

10、彈共振加熱最強(qiáng)時(shí)，驅(qū)動頻率和電極間隙的乘積為一個常數(shù)。雖然共振加熱是電子和高頻振蕩鞘層相互作用的結(jié)果，但低頻電源的功率和頻率也對這種加熱過程產(chǎn)生明顯的影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著低頻功率的下降，共振主峰減弱，在更小間隙處出現(xiàn)另一個共振峰。模擬給出的解釋是:鞘層的電壓降主要由低頻電壓決定，所以較高的低頻功率能夠有效地阻止高能共振電子逃逸到極板上，這樣就增加了共振電子的壽命，于是增強(qiáng)了共振加熱效率。低頻頻率對共振加熱的影響比較微妙，因?yàn)樗淖兞饲蕦?/p>

11、的擴(kuò)張速度和鞘層的振蕩波形等鞘層特性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著低頻頻率的降低，共振加熱向小間隙移動，共振峰變強(qiáng)。
　　在第五章中，針對電負(fù)性氧氣放電，實(shí)驗(yàn)上采用懸浮雙探針、發(fā)卡探針和可移動光探針研究了DF-CCP中的電子反彈共振加熱行為。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與電正性氬氣放電相比，電負(fù)性氧氣放電中的反彈共振加熱行為發(fā)生在更大的電極間隙。PIC/MCC模擬表明，在氧氣容性放電中，體等離子體區(qū)存在著較強(qiáng)的反向電場，并且它與鞘層電場的相位不一致。這樣的電場能

12、夠減速穿越體等離子體區(qū)的高能共振電子，抑制電子反彈共振加熱。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，對于氧氣等離子體，當(dāng)高頻功率降低時(shí)，這種反彈共振加熱被抑制。這主要是由于隨著高頻功率的降低，放電模式從電正性向電負(fù)性轉(zhuǎn)換，這個過程中體等離子體區(qū)的反向電場逐漸增強(qiáng)。隨著氣壓的增加，反彈共振加熱效應(yīng)也被抑制，這是因?yàn)樵隗w等離子體區(qū)電子與中性粒子的碰撞變得頻繁以及增強(qiáng)的體區(qū)反向電場對共振電子的阻礙作用增強(qiáng)。通過數(shù)值模擬我們發(fā)現(xiàn)，體等離子體區(qū)電場和鞘層區(qū)電場的相位關(guān)系