雙頻容性耦合等離子體物理特性的研究

1、雙頻容性耦合等離子體物理特性的研究雙頻容性耦合等離子體物理特性的研究* 王王 友友 年年 大連理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院大連理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院 * * 國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助課題國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助課題內(nèi)內(nèi) 容容一、等離子體刻蝕技術(shù)的發(fā)展趨勢及存在的問題一、等離子體刻蝕技術(shù)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二、幾種有代表性的等離子體源三、描述三、描述 DF-CCP物理過程的物理過程的解析模型解析模型四、描述四、描述 DF-CCP物理過程的物理過程的混合模型混合模型五、直流偏壓效應(yīng)五、直流偏壓效應(yīng)六、有關(guān)實(shí)驗(yàn)工作進(jìn)展六、有關(guān)實(shí)驗(yàn)工作進(jìn)展一、等離子體刻蝕技術(shù)的

2、發(fā)展趨勢及問題一、等離子體刻蝕技術(shù)的發(fā)展趨勢及問題 低溫等離子體刻蝕技術(shù)低溫等離子體刻蝕技術(shù)在微納制造工藝中得到廣泛地應(yīng)在微納制造工藝中得到廣泛地應(yīng)用，如超大規(guī)模集成電路、微機(jī)械系統(tǒng)、微光學(xué)系統(tǒng)的制用，如超大規(guī)模集成電路、微機(jī)械系統(tǒng)、微光學(xué)系統(tǒng)的制備。備。 1 1）半導(dǎo)體芯片加工）半導(dǎo)體芯片加工2 2）微電機(jī)系統(tǒng)（）微電機(jī)系統(tǒng)（MEMS)MEMS)加工加工3 3）平板顯示器的加工）平板顯示器的加工4 4）衍射光柵的制備）衍射光柵的制備微齒輪微齒輪微結(jié)構(gòu)微結(jié)構(gòu)集成電路發(fā)展趨勢集成電路發(fā)展趨勢: :加工晶圓的面積更大加工晶圓的面積更大特征尺寸越來越小特征尺寸越來越小集成度越來越高集成度越來越高對等

3、離子體源的要求對等離子體源的要求: :高的刻蝕率高的刻蝕率高度的均勻性高度的均勻性高度的各向異性高度的各向異性高度的選擇性高度的選擇性較低的介質(zhì)損傷較低的介質(zhì)損傷等離子體刻蝕工藝的趨勢等離子體刻蝕工藝的趨勢 均勻性均勻性 刻蝕的均勻性包含兩層意思：刻蝕的均勻性包含兩層意思： 1）宏觀的不均勻性）宏觀的不均勻性：在晶片的徑向上造成的刻蝕率和刻蝕剖：在晶片的徑向上造成的刻蝕率和刻蝕剖 面的不均勻面的不均勻性。性。 2）微觀不均勻性：）微觀不均勻性：在每個微槽的底部和側(cè)面造成的刻蝕不均勻性。在每個微槽的底部和側(cè)面造成的刻蝕不均勻性。等離子體密度等離子體密度0R為了適應(yīng)納電子器件的制備工藝，必須要：為

4、了適應(yīng)納電子器件的制備工藝，必須要： 1 1）提出大面積、高密度、均勻等離子體的新方法；提出大面積、高密度、均勻等離子體的新方法； 2 2）提出優(yōu)化刻蝕工藝的新方法。提出優(yōu)化刻蝕工藝的新方法。 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn) (或工藝或工藝) 研究研究 計算機(jī)仿真模擬計算機(jī)仿真模擬1、平板式是射頻容性耦合等離子體、平板式是射頻容性耦合等離子體(CCP)源源plasmaRF power13.56MHz進(jìn)氣進(jìn)氣抽氣抽氣介質(zhì)介質(zhì)電極電極開始于上個世紀(jì)開始于上個世紀(jì)7070年年代，主要用于反應(yīng)性代，主要用于反應(yīng)性等離子體刻蝕工藝。等離子體刻蝕工藝。單頻單頻CCPCCP源的主要優(yōu)點(diǎn)：源的主要優(yōu)點(diǎn)：1.1.工作氣壓比較低（工作

5、氣壓比較低（mTorrmTorr) )2.2.能夠產(chǎn)生比較均勻的能夠產(chǎn)生比較均勻的plasmaplasma3.3.結(jié)構(gòu)簡單，造價低結(jié)構(gòu)簡單，造價低 . . 二、幾種有代表性的等離子體刻蝕源二、幾種有代表性的等離子體刻蝕源 根據(jù)熟知的定標(biāo)關(guān)系可知：等離子體密度正比于驅(qū)根據(jù)熟知的定標(biāo)關(guān)系可知：等離子體密度正比于驅(qū)動電源頻率動電源頻率的平方的平方和施加的偏壓，即和施加的偏壓，即 當(dāng)電源頻率當(dāng)電源頻率w w一定時一定時, , 要提高等離子體密度，唯一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，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

6、的離子能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。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（早期使用的都是單一頻率射頻電源（13.56MHz)13.56MHz)驅(qū)驅(qū)動放電的動放電的CCPCCP源，很難實(shí)現(xiàn)對等離子體密度（正比于源，很難實(shí)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(dú)立控制。刻蝕率）和入射到晶片上離子的能量分布的獨(dú)立控制。2rfnV2、微波電子回旋共振、微波電子回旋共振(ECR)/RF偏壓等離子體刻蝕源偏壓等離子體刻蝕源3、射頻感應(yīng)耦合等離子體、射頻感應(yīng)耦合等離子體( ICP)/RF偏壓刻蝕源偏壓刻

7、蝕源RF biased electrodewafercoilInsulating plate平面線圈感應(yīng)耦合等離子體源平面線圈感應(yīng)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)；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。量分布。感應(yīng)耦合等離子體感應(yīng)耦合等離子體(ICP)源的特點(diǎn)源的特點(diǎn)特點(diǎn)特點(diǎn)解決的問題解決的問題工作氣壓低工作氣壓低( d.x=0 x=dLF)sin()sin()(tVtVtVhhllrfHFInfluence of HF-power frequency on pl

8、asma density0.00.51.01.52.00123 ne (1010cm-3) fh=60MHz fh=30MHz fh=20MHzx (cm) P = 100mTorr, Vh = 200V, Vl =400V fl = 2MHz, fh = 20, 30, 60MHz,051015200123 n (1010cm-3)x (mm) 2MHz 5MHz 10MHz 13.56MHzP=50 mTorr, Vh=50 V, Vl=100V, fh =60 MHz, fl=2,5, 10, 13.56 MHzInfluence of LF-power frequency on pla

9、sma density0.00.51.01.52.0-600-400-2000Vsh (V) RF cyclefh=60MHz-600-400-2000 fh=30MHz-600-400-2000 fh=20MHz P = 100mTorr, Vh = 200V, Vl =400V fl = 2MHz, fh = 20, 30, 60MHz,Influence of HF-power frequency on sheath voltage drop1.01.52.02.53.03.5-300-250-200-150-100 Vsh (V)Vl/Vh Analytic Model 1/30MHz

10、 2/30MHz 6/30MHz平均鞘層電位降：平均鞘層電位降：與解析模型的比較與解析模型的比較01002003004000.000.010.020.03 fl=5MHzEnergy(eV)0.000.010.020.03 fl=2MHz0.000.010.020.03 fl=1MHzIED01002003004000.000.010.02fh=60MHz Energy(eV)0.000.010.020.030.04fh=30MHz 0.000.010.020.030.04fh=20MHz IEDfh = 30MHz, P =50mTorr, Vh = 200V, Vl = 400Vfl =

11、2MHz P = 100mTorr, Vh = 200V, Vl = 400V離子入射到電極上的能量分布離子入射到電極上的能量分布HF powerLF power H 2R DSchematic diagram of DF-CCPH= 2.45cm2R=43.18cm D=6.35cmTwo-dimensional model I. Influence of high frequency fH averaged electron density:27MHz40MHz60MHzVHF=50V, VLF=100V, fL =2 MHz, p=100 mTorrThe electron densit

12、y increases significantly as increasing values of fL. averaged electron temperature:27MHz40MHz60MHzVHF=50V, VLF=100V, fL =2 MHz, p=100 mTorrThe electron density increases slightly as increasing values of fL.II. influence of low frequency12MHzWith the increase of low frequency, two sources become fro

13、m decoupling to coupling, and the electron density increases significantly when two sources coupling.2MHz6MHz averaged electron density:VHF=50V, VLF=100V, fH =60 MHz, p=100 mTorr Averaged electron temperature:2MHzWith the increase of low frequency, the temperature of electrons increases slightly.6MH

14、z12MHzVHF=50V, VLF=100V, fH =60 MHz, p=100 mTorrEz in a LF period:VHF = 50V, VLF = 100V, fLF = 2MHz, fHF = 60MHz, p = 100mTorrEr in a LF period:VHF = 50V, VLF = 100V, fLF = 2MHz, fHF = 60MHz, p = 100mTorrFluid simulations for CF4 plasmas (1D) Basic model CF4 plasma is an electronegative discharge, i

15、.e., there are no negative ions in the discharge. The plasma is composed of neutrals (atoms and molecules), electrons, positive ions, and negative ions.3242622 34-323FC ,FC ,FCF, C, CF, ,CF ,CF ,CF :are species neutral TheF,CF :ions negative;F ,CF ,CF ,CF : ions positivee; :electrons:are discharge i

16、n the species charged TheThere are more than 30 reaction equations in the discharge. For simplification, we consider only four reaction processes, i.e.,Ionization: CF4+e CF3+ +F+2eAttachment: CF4+e CF3 +F-Recombination: CF3+ + e CF3Dissociation: CF4+e CF3 +F + eand four species of particles:electron

17、s, CF4, CF3+, F-Plasma Physics Model (electrons and ions):nnnexENnKEejxqtnNnKNnKxjtnNnKNnKxjtnNnKNnKxjtneeLeeeeereceaereceieaeiee0)(Ki ionization rateKa attachment rateKrec recombination ratefL = 2MHz, fH = 60MHz, VL = 2000V, VH = 1000V, Ddielectric=0.5mmNumerical results0.00.51.01.52.02.50246 Densi

18、ty (1010cm-3)X (cm) e F- CF3+P=50mTorr0.00.51.01.52.02.50204060 Density (1010cm-3)X (cm) e F- CF3+P=100mTorrInfluence of the discharge pressure on charged particle densities0.00.51.01.52.02.502468101214 Density (1010cm-3)X (cm) e F- CF3+VH=400V0.00.51.01.52.02.5010203040506070 Density (1010cm-3)X (c

19、m) e F- CF3+VH=800VInfluence of the HF voltage on charged particle densitiesfL = 2MHz, fH = 60MHz, VL = 1000V, p=100 mTorr, Ddielectric=0.5mm五、直流偏壓效應(yīng)五、直流偏壓效應(yīng) Local electric field within micro troughPositive charged accumulated on dielectric Side etchingEplasma LFDCHF抑制正電荷積累的方法抑制正電荷積累的方法: : DF-CCP/DC

20、DF-CCP/DC協(xié)同放電協(xié)同放電1D PIC/MC simulations for Ar dischargesOur recent publications about simulations of DF-CCP1. Z. Q. Guan, Z. L. Dai and Y. N. Wang “Simulations of dual rf-biased sheaths and ion energy distributions arriving at a dual rf-biased electrode ”, PHYSICS OF PLASMAS 12, 123502 (2005)2. Z. L

21、. Dai, X. Xu and Y. N. Wang“A self-consistent hybrid model of a dual frequency sheath: Ion energy and angular distributions , Phys. Plasmas 14, 013507 (2007) 3. W. Jiang, M. Mao and Y. N. Wang“A time-dependent analytical sheath model for dual-frequency capacitively coupled plasma ”, Phys. Plasmas 13

22、, 113502 (2006) 4. S. Wang, X. Xu and Y. N. Wang“Numerical investigation of ion energy distribution and ion angledistribution in a dual-frequency capacitively couple plasma with a hybrid model”, be published in Physics of Plasmas Improving hybrid simulations, including 1D simulations for CF4 or CF4/

23、Ar discharges 2D simulations for CF4 or CF4/Ar discharges Interesting quantities: Energy distribution functions of different species ions ( such as Ar+, CF3+) at substrates; Angle distribution functions of different species ions ( such as Ar+, CF3+) at substrates; Energy and angle distributions of r

24、adicals at substrates.Radial variations Next plan for our simulationsSelf-consistent study for the standing-wave effects in HF-CCP2D fluid model2D Maxwell equations0000 where the electric current density and the charge densities( , ) are determined by the fluid model.ieeittennnn BE = -EB =j-Ej六、六、 有

25、關(guān)實(shí)驗(yàn)研究工作進(jìn)展有關(guān)實(shí)驗(yàn)研究工作進(jìn)展 1 1、大連理工大學(xué)、大連理工大學(xué) DF-CCPDF-CCP放電裝置及診斷系統(tǒng)的研制放電裝置及診斷系統(tǒng)的研制 完成人：完成人：陸文琪、徐勇、朱愛民、陸文琪、徐勇、朱愛民、 王友年等王友年等 目前已完成雙頻條件下的實(shí)驗(yàn)調(diào)試，正在進(jìn)行實(shí)目前已完成雙頻條件下的實(shí)驗(yàn)調(diào)試，正在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)診斷系統(tǒng)的安裝和調(diào)試驗(yàn)診斷系統(tǒng)的安裝和調(diào)試 質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀探針探針特點(diǎn)：特點(diǎn)：1）高、低頻電源可以接在同一電極或不同的）高、低頻電源可以接在同一電極或不同的 電極上；電極上； 2）兩個電極的距離可調(diào)：）兩個電極的距離可調(diào)：15mm-30mm;3）配有）配有Langmuir探針、衰蕩光譜

26、、質(zhì)譜診探針、衰蕩光譜、質(zhì)譜診 斷系統(tǒng)斷系統(tǒng) 光譜儀光譜儀 （1 1）雙頻電源（從日本購置）雙頻電源（從日本購置） （2 2）反應(yīng)室（沈陽科學(xué)儀器廠）反應(yīng)室（沈陽科學(xué)儀器廠） （3 3）離子能量）離子能量- -質(zhì)量分析器（英國質(zhì)量分析器（英國HidenHiden公司）公司） （4 4）射頻探針、衰蕩光譜系統(tǒng)（自行研制）射頻探針、衰蕩光譜系統(tǒng)（自行研制） DF-CCP裝置2 2、蘇州大學(xué)、蘇州大學(xué) DF-CCPDF-CCP放電裝置及診斷系統(tǒng)的研制放電裝置及診斷系統(tǒng)的研制 高頻：高頻：60MHz60MHz 低頻：低頻：2MHz2MHz、13.6MHz13.6MHz 完成人：完成人：辛煜、寧兆元等辛

27、煜、寧兆元等 目前已開展雙頻條件下的實(shí)驗(yàn)診斷研究，如測量目前已開展雙頻條件下的實(shí)驗(yàn)診斷研究，如測量雙頻條件下的等離子體密度、電子能量分布的測雙頻條件下的等離子體密度、電子能量分布的測量。量。雙頻容性耦合等離子體裝置雙頻容性耦合等離子體裝置蘇州大學(xué)蘇州大學(xué)02468 10 12 14 16 18 201E-81E-71E-61E-51E-4 EEPF ( eV-3/2 m-3 )Electron energy ( eV ) 0.9Pa 1.2Pa 1.5Pa 2.0Pa 2.5Pa 3.0Pa 4.0PaHF: 50WHF: 50W E (eV)高頻高頻 ( 60 MHz )放電情況下電子的能量分布放電情況下電子的能量分布036