雙頻容性耦合等離子體刻蝕工藝的物理基礎

,雙頻容性耦合等離子體物理特性的研究*王友年大連理工大學物理與光電工程學院*國家自然科學基金重點項目資助課題,內(nèi)容一、等離子體刻蝕技術的發(fā)展趨勢及存在的問題二、幾種有代表性的等離子體源三、描述DF-CCP物理過程的解析模型四、描述DF-CCP物理過程的混合模型五、直流偏壓效應六、有關實驗工作進展,一、等離子體刻蝕技術的發(fā)展趨勢及問題低溫等離子體刻蝕技術在微納制造工藝中得到廣泛地應用，如超大規(guī)模集成電路、微機械系統(tǒng)、微光學系統(tǒng)的制備。,1）半導體芯片加工2）微電機系統(tǒng)（MEMS)加工3）平板顯示器的加工4）衍射光柵的制備,微齒輪,微結構,集成電路發(fā)展趨勢:加工晶圓的面積更大特征尺寸越來越小集成度越來越高,對等離子體源的要求:高的刻蝕率高度的均勻性高度的各向異性高度的選擇性較低的介質(zhì)損傷,等離子體刻蝕工藝的趨勢,均勻性刻蝕的均勻性包含兩層意思：1）宏觀的不均勻性：在晶片的徑向上造成的刻蝕率和刻蝕剖面的不均勻性。2）微觀不均勻性：在每個微槽的底部和側面造成的刻蝕不均勻性。,等離子體密度,0,R,為了適應納電子器件的制備工藝，必須要：1）提出大面積、高密度、均勻等離子體的新方法；2）提出優(yōu)化刻蝕工藝的新方法。,實驗(或工藝)研究計算機仿真模擬,1、平板式是射頻容性耦合等離子體(CCP)源,plasma,RFpower13.56MHz,進氣,抽氣,介質(zhì),電極,開始于上個世紀70年代，主要用于反應性等離子體刻蝕工藝。,單頻CCP源的主要優(yōu)點：1.工作氣壓比較低（mTorr)2.能夠產(chǎn)生比較均勻的plasma3.結構簡單，造價低.,二、幾種有代表性的等離子體刻蝕源,根據(jù)熟知的定標關系可知：等離子體密度正比于驅(qū)動電源頻率的平方和施加的偏壓，即當電源頻率w一定時,要提高等離子體密度，唯一的途徑是增加施加偏壓。但增加施加的射頻偏壓時，轟擊到晶片上的離子能量也隨著增加。太高的離子能量，將對晶片造成不必要的介質(zhì)損傷。早期使用的都是單一頻率射頻電源（13.56MHz)驅(qū)動放電的CCP源，很難實現(xiàn)對等離子體密度（正比于刻蝕率）和入射到晶片上離子的能量分布的獨立控制。,2、微波電子回旋共振(ECR)/RF偏壓等離子體刻蝕源,3、射頻感應耦合等離子體(ICP)/RF偏壓刻蝕源,RFbiasedelectrode,wafer,coil,Insulatingplate,平面線圈感應耦合等離子體源,主電源（連接在線圈）控制等離子體的狀態(tài)；偏壓電源（施加在芯片臺上）控制離子轟擊晶片上的能量分布。,感應耦合等離子體(ICP)源的特點,特點,解決的問題,工作氣壓低(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,平均鞘層電位降：與解析模型的比較,fh=30MHz,P=50mTorr,Vh=200V,Vl=400V,fl=2MHzP=100mTorr,Vh=200V,Vl=400V,離子入射到電極上的能量分布,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、直流偏壓效應,Localelectricfieldwithinmicrotrough,Positivechargedaccumulatedondielectric,Sideetching,E,plasma,LF,DC,HF,抑制正電荷積累的方法:DF-CCP/DC協(xié)同放電,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、有關實驗研究工作進展,1、大連理工大學DF-CCP放電裝置及診斷系統(tǒng)的研制完成人：陸文琪、徐勇、朱愛民、王友年等目前已完成雙頻條件下的實驗調(diào)試，正在進行實驗診斷系統(tǒng)的安裝和調(diào)試,質(zhì)譜儀,探針,特點：1）高、低頻電源可以接在同一電極或不同的電極上；2）兩個電極的距離可調(diào)：15mm-30mm;3）配有Langmuir探針、衰蕩光譜、質(zhì)譜診斷系統(tǒng),光譜儀,（1）雙頻電源（從日本購置）（2）反應室（沈陽科學儀器廠）（3）離子能量-質(zhì)量分析器（英國Hiden公司）（4）射頻探針、衰蕩光譜系統(tǒng)（自行研制）,DF-CCP裝置,2、蘇州大學DF-CCP放電裝置及診斷系統(tǒng)的研制高頻：60MHz低頻：2MHz、13.6MHz完成人：辛煜、寧兆元等目前已開展雙頻條件下的實驗診斷研究，如測量雙頻條件下的等離子體密度、電子能量分布的測量。,雙頻容性耦合等離子體裝置,蘇州大學,HF:50W,E(eV),高頻(60MHz)放電情況下電子的能