低气压双频容性耦合电负性等离子体物理特性的研究

摘要

双频容性耦合等离子体（Dual-Frequency Capacitively Coupled Plasmas，DF-CCPs）能够独立控制轰击到基片表面的离子通量和能量，从而可以缓解刻蚀过程中刻蚀速率与器件损伤的矛盾和减弱薄膜沉积过程中的充电效应，因而在国际上被广泛地应用到半导体芯片的刻蚀和沉积工艺中。电子密度及离子能量作为等离子体最基本的参数，对于理解等离子体的特性及优化工艺过程具有重要的意义。到目前为止，有关DF-CCPs的实验研究主要以Ar放电为主，而对于在实际刻蚀工艺中被大量使用的电负性气体，像O2、CF4、 c-C4F8等，实验研究工作较少。本文从实验上系统地研究了在O2、Ar/O2、Ar/CF4、Ar/O2/CF4放电中，控制变量（高频功率、低频频率和功率、气压等）对电子密度和离子能量分布等的影响。同时，采用了流体模型及PIC/MC(Particle-In-Cell and Monte Calro)模型与实验结果进行对比验证。
　　本论文研究对象大多是具有氧化性或腐蚀性的气体，传统的诊断手段（如，Langmuir探针）无法有效地使用，然而微波发卡探针和四极杆质谱仪基本上不受腐蚀性气体影响，可以较准确地测量电子密度和离子能量分布。
　　在第1章，简单地介绍了低温等离子体在集成电路工业中的应用、低温射频等离子体源、DF-CCP的研究进展及热点问题，给出了本论文的研究内容安排。
　　在第2章，简单地介绍了双频容性耦合放电装置的关键参数，详细地介绍了实验中所使用的诊断手段（微波发卡探针、光探针、四极杆质谱仪、电压-电流探测器）的原理、结构和使用方法。其中，微波发卡探针可以测量电子密度，光探针可以测量特定谱线的发光强度，四极杆质谱仪能够分辨出不同质荷比的离子并给出相应的离子能量分布，电压-电流探测器可以测量电压、电流、功率等电学参数。最后，简单介绍了本论文采用的数值模型，包括流体模型及PIC/MC模型。
　　在第3章，基于上述的实验设备和诊断手段，系统地研究了在O2和Ar/O2放电中高频功率、低频功率、气压对电子密度的影响。研究表明:在O2放电中，电子密度主要由高频功率决定，随着高频功率的增加电子密度线性增大;在较高高频功率下，随着低频功率的增加电子密度减小，而当高频功率较低时电子密度会随着低频功率增加而增大;随着气压的升高，电子密度先快速增大而后缓慢减小;Ar的添加导致电子密度的增大，但不影响电子密度随控制变量的变化趋势。同时，采用了PIC/MC模拟对实验结果进行验证，二者取得较好的一致性。
　　在第4章，系统地研究了在Ar/O2放电中低频频率、低频功率、气压等对离子能量分布的影响。研究表明:低频频率和低频功率是影响离子能量分布的主要参数，并且二者的作用相反，即随着低频频率增大，能宽逐渐变窄，高能峰向着低能区移动，而随着低频功率的增大，能宽逐渐变宽，高能峰向着高能区移动;气压的升高导致激烈的共振电荷交换碰撞，产生更多的低能电子。同时，采用了PIC/MC模拟对部分实验结果进行验证，二者给出相同的变化趋势，但在数值方面二者存在着差异，针对差异分析了可能的原因。
　　在第5章，系统地研究了在Ar/CF4和Ar/O2/CF4放电中高频功率、低频功率、气压对电子密度和离子能量分布的影响。研究表明:在Ar/CF4放电中，电子密度主要由高频功率决定，低频功率影响很小，O2的添加会导致电子密度的下降但不会影响电子密度随控制变量的变化趋势;离子能量主要由低频源（频率和功率）决定，高频功率对其影响较小，气压的升高会导致能量分布中低能离子的增多。
　　在第6章，研究了在O2放电中驱动频率对电子密度的影响。在相同的输入功率下，不同驱动频率的等离子体吸收功率不同，很大一部分输入功率耗散在匹配网络，在100MHz下，损失的功率高达50％以上。在固定等离子体吸收功率的条件下，电子密度随着频率从13.56 MHz升高到40.68 MHz而增大，当频率进一步从60 MHz升高到100 MHz时，电子密度在2.6 Pa和13.3 Pa下呈现不同的变化趋势。在固定极板电压的条件下，电子密度随驱动频率的增大先增大后减小，在40.68 MHz时达到最大值。
　　在第7章中，给出了本论文的主要结论、创新点及未来的工作计划。

目录

声明

摘要

图目录

主要符号表

1 绪论

1．1 低温等离子体在集成电路工业中的应用

1．2 低温射频等离子体源的简介

1．3 DF-CCP研究进展

1．4 DF-CCP研究的热点问题

1．4．1 离子通量和能量的独立控制

1．4．2 高低频的耦合效应

1．4．3 离子能量分布

1．4．4 驱动频率效应

1．5 DF-CCP研究存在的问题

1．6 本文研究内容安排

2 实验装置、诊断方法及数值模型

2．1 实验装置

2．2 诊断方法

2．2．1 微波发卡探针

2．2．2 光探针

2．2．3 四极杆质谱仪

2．2．4 电压-电流探测器

2．3 数值模型简介

2．3．1 PIC／MC模型

2．3．2 流体模型

2．4 本章小结

3 O2和Ar／O2放电中的电子密度

3．1 引言

3．2 结果与讨论

3．2．1 高频功率的影响

3．2．2 低频功率的影响

3．2．3 气压的影响

3．2．4 电子密度的空间分布

3．2．5 Ar／O2混合气体放电中的电子密度

3．3 本章小结

4 Ar／O2混合气体放电中的离子能量分布

4．1 引言

4．2 结果与讨论

4．2．1 极板电压

4．2．2 Ar+和AO2+离子能量分布

4．2．3 低频频率的影响

4．2．4 低频功率的影响

4．2．5 气压的影响

4．2．6 高频功率的影响

4．2．7 误差分析

4．3 本章小结

5 Ar／CF4和Ar／O2／CF4混合气体放电中的电子密度和离子能量分布

5．1 引言

5．2 结果与讨论

5．2．1 电子密度

5．2．2 离子能量分布

5．3 本章小结

6 O2放电中的驱动频率效应

6．1 引言

6．2 实验设备简介

6．3 结果与讨论

6．3．1 吸收功率

6．3．2 在固定吸收功率条件下驱动频率对电子密度的影响

6．3．3 在固定极板电压条件下驱动频率对电子密度的影响

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢