双频容性耦合等离子体中电子无碰撞反弹共振加热

摘要

双频容性耦合等离子体源(Dual Frequency Capacitively Coupled Plasma，DF-CCP)由于具有独立控制等离子体密度和轰击到极板表面上的离子能量以及能产生大面积均匀等离子体等优点，已被广泛地应用到微电子制造和平板显示器工业中的薄膜沉积和刻蚀工艺。在DF-CCP中，低频源的引入使得放电过程变得更加复杂，产生了许多新的物理问题，如高低频之间的耦合问题以及当高频频率较高时驻波效应引起的等离子体径向非均匀性问题等。低频源引起的射频干扰使得传统的补偿型朗缪尔探针诊断手段难以使用，这就对等离子体的诊断提出了更高的要求。在容性耦合等离子体中，由于电子加热是维持射频放电的根本，所以DF-CCP中电子的加热机制一直是当今研究的热点问题。
　　一般认为射频容性耦合放电中存在两种典型的电子加热机制:i）在体等离子体区，与电子和中性粒子碰撞相关的欧姆加热;ii）在鞘层一等离子体边界处，电子和振荡的鞘层边界相互作用产生的随机加热（或无碰撞加热）。前者在高气压放电情况下起主导作用，而后者主要是在低气压下维持等离子体放电。近年来，由于人们对低气压(～ mTorr)下射频等离子体刻蚀工艺的逐渐重视，无碰撞加热机制成为当前的一个研究热点。唯像的“硬壁(hard wall)”模型经常被用来描述这种无碰撞加热，同时需要假设打破这种电子运动和电场协同作用的相位随机化机制的存在，来解释为什么大量电子能够在一个射频周期内从振荡的电场中获得净能量。一般来讲，早期大部分的研究都考虑电子仅仅和一个振荡的鞘层相互作用，不考虑之后还会发生什么现象。在1991年，Wood通过粒子模拟发现:在低气压容性放电中，存在着一种双鞘层协同加热机制，也就是所谓的反弹共振加热。该加热机制后来被人们通过理论，数值模拟和实验进行了广泛地研究。然而，这些研究主要是针对低能电子的反弹共振加热。这些共振电子的能量太小，远远低于激发或电离阈值，因此不会对等离子体的宏观性质产生影响。
　　本文研究的主要目的是:在DF-CCP(60/2 MHz)放电装置上，对高能电子的反弹共振加热行为进行实验验证，并结合PIC/MCC(Particle-In-Cell and Monte-Carlo Collision)模拟，研究电极间隙、放电气压及双频电源参数（功率及频率）等对反弹共振加热过程及等离子体密度和发光强度的影响，从深层次上揭示电子反弹共振加热的物理机制，为半导体芯片制造工艺中等离子体刻蚀设备的优化提供科学依据。
　　在第一章绪论部分，介绍了双频容性耦合等离子体源的应用背景，以及几种常见等离子体源的特性，接着重点介绍了容性放电中电子加热机制的研究进展，以及现有的研究中存在的不足。
　　在第二章中，介绍了CCP中通常采用的探针、光谱和质谱三种诊断方法，简单综述了这几种实验诊断方法在CCP中的研究进展。
　　在第三章中，针对低气压DF-CCP中电正性氩气放电，开展了高能电子反弹共振加热行为的研究。在实验研究方面，分别利用全悬浮双探针、可移动光探针以及减速场能量分析仪，对不同放电条件下的等离子体密度、光谱强度以及下极板上的电子能量分布进行了测量。实验上首次观察到，在低气压放电下，当驱动频率和电极间隙满足一定的共振条件时，等离子体密度及发光强度在某一间隙下存在一个反常的共振峰，并且在这种情况下有大量的高能电子轰击到下极板。为了进一步深入理解这种共振峰产生的物理原因，我们利用PIC/MCC方法对这种放电过程进行了模拟，结果表明:由快速鞘层扩张产生的高能电子束经过半个射频周期穿过体等离子体区和对面扩张的鞘层相互作用，这时就发生了反弹共振加热现象。这样的电子束可以在两个交互扩张的鞘层边缘来回反弹，在每次和扩张的鞘层相互作用中获得能量。这些高能电子在反弹共振过程中与背景气体碰撞增强了激发和电离率，从而使光谱强度和等离子体密度产生共振峰。另外还揭示出，随着电极间隙的增加，参与共振的电子所需能量的最小值以及共振电子获得能量的最大值均增加，同时共振电子的数量锐减。在不同间隙下，共振电子的数量和能量共同决定着反弹共振加热的效率，这就使得当驱动频率为60 MHz时，在电极间隙L=2cm时，反弹共振加热效应最强。最后，研究了反弹共振加热对等离子体的径向均匀性的影响，发现反弹共振加热能够增强极板中心区的放电，使得等离子体密度沿径向呈抛物分布，造成等离子体径向分布不均匀。
　　在第四章中，进一步研究了氩气放电中不同放电参数对反弹共振加热的影响。在较高的气压下，强烈的碰撞阻碍了持续的反弹共振加热，共振加热受到抑制。在电正性氩气放电中，高频电源的功率对共振加热影响比较小，然而高频频率对共振间隙有着显著的影响。PIC/MCC模拟发现，当电子反弹共振加热最强时，驱动频率和电极间隙的乘积为一个常数。虽然共振加热是电子和高频振荡鞘层相互作用的结果，但低频电源的功率和频率也对这种加热过程产生明显的影响。实验发现，随着低频功率的下降，共振主峰减弱，在更小间隙处出现另一个共振峰。模拟给出的解释是:鞘层的电压降主要由低频电压决定，所以较高的低频功率能够有效地阻止高能共振电子逃逸到极板上，这样就增加了共振电子的寿命，于是增强了共振加热效率。低频频率对共振加热的影响比较微妙，因为它改变了鞘层的扩张速度和鞘层的振荡波形等鞘层特性。实验发现，随着低频频率的降低，共振加热向小间隙移动，共振峰变强。
　　在第五章中，针对电负性氧气放电，实验上采用悬浮双探针、发卡探针和可移动光探针研究了DF-CCP中的电子反弹共振加热行为。实验发现，与电正性氩气放电相比，电负性氧气放电中的反弹共振加热行为发生在更大的电极间隙。PIC/MCC模拟表明，在氧气容性放电中，体等离子体区存在着较强的反向电场，并且它与鞘层电场的相位不一致。这样的电场能够减速穿越体等离子体区的高能共振电子，抑制电子反弹共振加热。实验结果还表明，对于氧气等离子体，当高频功率降低时，这种反弹共振加热被抑制。这主要是由于随着高频功率的降低，放电模式从电正性向电负性转换，这个过程中体等离子体区的反向电场逐渐增强。随着气压的增加，反弹共振加热效应也被抑制，这是因为在体等离子体区电子与中性粒子的碰撞变得频繁以及增强的体区反向电场对共振电子的阻碍作用增强。通过数值模拟我们发现，体等离子体区电场和鞘层区电场的相位关系对驱动频率有强烈的依赖性。当驱动频率为60 MHz时，体区电场和鞘层电场的相位相反。当驱动频率下降到13.56 MHz时，体区电场和鞘层电场相位趋于一致，这时体等离子体区电场会增强电子反弹共振加热。同电正性氩气放电类似，在电负性氧气放电中，电子反弹共振加热使得等离子体密度沿径向呈抛物分布，造成径向分布不均匀。

目录

声明

摘要

图表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 低温等离子体与微电子工业

1．2 常见的低温等离子体源

1．2．1 单频容性耦合等离子体源(CCP)

1．2．2 感性耦合等离子体源(ICP)

1．2．3 电子回旋共振等离子体源(ECR)

1．2．4 双频容性耦合等离子体源(DF-CCP)

1．3 CCP中电子加热机制研究综述

1．3．1 解析研究

1．3．2 实验研究

1．3．3 数值模拟

1．3．4 磁化CCP

1．4 CCP中电子加热机制研究存在的不足

1．5 本文研究内容与安排

2 CCP的实验诊断方法综述

2．1 静电探针诊断

2．1．1 朗缪尔单探针

2．1．2 发卡探针

2．1．3 双探针

2．2 光谱研究

2．2．1 发射光谱

2．2．2 吸收光谱与光腔衰荡光谱

2．2．3 激光诱导荧光光谱

3．3 质谱法

3 电正性氩气放电中电子反弹共振加热

3．1 引言

3．2 实验装置、诊断手段与模拟简述

3．2．1 实验装置简述

3．2．2 PIC／MCC模拟简述

3．3 结果与讨论

3．3．1 反弹共振加热的实验证据

3．3．2 反弹共振加热的物理图像及分析

3．3．3 反弹共振加热对等离子体空间分布的影响

3．4 本章小结

4 放电参数对电子反弹共振加热的影响

4．1 引言

4．2 气压影响

4．3 高频功率及频率影响

4．4 低频功率及频率影响

4．5 本章小结

5 电负性氧气放电中电子反弹共振加热

5．1 引言

5．2 实验装置、诊断手段与模拟简述

5．2．1 实验装置简述

5．2．2 PIC／MCC模拟简述

5．3 结果与讨论

5．3．1 电极间隙影响

5．3．2 高频功率影响

5．3．3 高频频率影响

5．3．4 气压影响

5．3．5 反弹共振加热对等离子体空间分布的影响

5．3．6 电正性和电负性放电对比研究

5．4 本章小结

6 结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

创新点摘要

致谢

作者简介