射频容性耦合等离子体中放电模式的实验研究

摘要

由于射频容性耦合等离子体(Radio-Frequency Capacitively Coupled Plasmas，rf-CCPs)源结构简单并且能够产生大面积均匀等离子体，以及采用双频电源还可以实现等离子体密度和离子能量的独立控制，因此在微电子制造工业中的材料刻蚀以及薄膜沉积等工艺中得到了广泛的应用。在rf-CCP中，一般认为主要存在三种典型的放电模式，包括α模式、γ模式和DA(Drift-Ambipolar)模式，其中在Ar、Ne等电正性气体放电中一般只存在前两种模式，而在CF4、O2等电负性气体放电中三种放电模式都可能出现。当放电处于不同的模式时，等离子体中的能量沉积过程以及等离子体状态参数（如等离子体密度、电子能量分布函数和激发/电离速率分布等）都有明显的差异。而在实际的工业生产中，等离子体状态参数的变化将会对等离子体的刻蚀和沉积过程产生非常重要的影响。因此，对不同放电模式下等离子体特性的研究，以及系统地掌握放电参数的改变对等离子体放电模式的影响，对优化等离体源的腔室结构和放电参数具有重要的指导意义。
　　本论文的主要目的是:分别研究在以上三种放电模式下等离子体状态参数的特征，以及系统地考察由外界参数（驱动频率、工作气压、电压和极板间距等）变化引起的放电模式的转变。实验中主要使用了发卡探针和相分辨发射光谱方法，其中发卡探针用来测量等离子体中的电子密度，相分辨发射光谱可以给出由于电子碰撞导致的基态原子跃迁到特定激发态的跃迁速率的时空分布。此外，针对部分实验结果用PIC/MCC(Partical-in cell and Monte Calro collision)模拟进行了对比验证。
　　第一章首先对等离子体在微电子工业中的应用和容性耦合等离子体源的发展现状进行了简单的介绍，然后重点介绍了容性耦合等离子体中几种典型的放电模式。第二章简单介绍了rf-CCP的放电系统和PIC/MCC模型，并详细介绍了实验中用到的发卡探针和相分辨发射光谱方法。
　　第三章，针对单频容性耦合CF4气体放电，使用实验诊断和数值模拟相结合的方法对电负性气体放电中的放电模式转变进行了研究，其中实验与模拟得到了非常一致的结果。在本章所选择的放电条件下，二次电子的发射效应可以忽略，因此我们只观察到了α和DA两种放电模式。在固定驱动频率和放电气压不变的条件下，随着功率的增加，电子在鞘层中的加热得到显著增强，在电子密度增加的同时，等离子体的电负性（文中由数值模拟给出）降低，使得放电从DA模式转变到α模式。在固定驱动频率和输入功率不变的条件下，随着放电气压的增加，电子被中性粒子吸附的概率增加，电子密度降低同时等离子体的电负性增加，最终会导致放电从α模式转变为DA模式。随着驱动频率的增加，由气压改变导致的放电模式转变会在更高的气压条件下产生，而由输入功率改变引起的放电模式的转变则会在更低的功率条件下产生。
　　第四章，同样针对单频容性耦合等离子体，系统地研究了二次电子发射对放电模式的影响。实验结果表明，在电正性气体Ne放电中，当驱动频率较低(≤10MHz)时，电子密度随放电电压的增加先缓慢增加后迅速增加，可以观察到明显的α-γ模式转变的过程;当驱动频率较高(＞10MHz)时，模式转变过程变得不明显。等离子体的发光强度在模式转变前后变化不大，随电压的增加而线性增加。在频率不变的条件下，增加气压有利于二次电子在鞘层中的雪崩电离，α-γ模式转变的临界电压随气压的升高而降低。在电负性气体CF4放电中，当驱动频率较高(＞10MHz)时，等离子体的电负性比较低，因此电子密度和光强度随电压的变化与Ne气放电时类似。但是在较低的驱动频率条件下，电子密度和光强度随电压的增加先增加后降低，在某一电压值达到极小值之后又迅速增加。通过测量不同电压时的电子激发速率的时空分布，我们发现电子密度和光强度达到极小值时的电压值可以分别粗略地认为是DA-α和α-γ模式转变的临界电压。
　　第五章，以Ar气为工作气体，考察了在双频容性耦合等离子体中不同的放电模式，以及不同的外界参数对放电模式转变的影响。实验发现，随着低频电压的增加等离子体密度先缓慢减小后缓慢增加，当电压继续增加并超过一定的阈值时，放电开始由α模式向γ模式转变，等离子体密度开始迅速增加。另外，在高频电压较高的情况下，α-γ模式转变会发生在更低的低频电压。当放电维持在α模式时，等离子体的鞘层厚度随低频电压的增加而增加，使得电子密度的轴向最大值随低频电压的增加而向接地电极一侧移动;而当放电维持在γ模式时，电子密度的轴向最大值主要依赖于放电气压而基本不会受到低频电压的影响。随着放电气压的增加，等离子体鞘层厚度变小，电子密度的轴向最大值向驱动电极移动。此外，更高的气压和更大的电极间距对γ模式有明显的增强作用。当放电维持在γ模式时，二次电子发射系数较高时电子密度增加的更加迅速;而当放电维持在α模式时，不同的二次电子发射对放电基本没有影响。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1等离子体概述

1．2等离子体在微电子工业中的应用

1．3容性耦合等离子体源的发展

1．3．1单频容性耦合等离子体源

1．3．2双频容性耦合等离子体源

1．3．3脉冲调制容性耦合等离子体的研究

1．3．4电非对称效应的研究

1．3．5直流叠加射频容性耦合等离子体的研究

1．4容性耦合等离子体中的放电模式

1．5本文研究内容与安排

2实验装置与研究方法

2．1 实验装置

2．2直流自偏压的产生及测量

2．3等离子体诊断方法

2．3．1 相分辨发射光谱法测量激发速率

2．3．2发卡探针测量电子密度

2．4 PIC／MCC模型介绍

2．5本章小结

3单频容性耦合CF4等离子体中的放电模式

3．1 引言

3．2研究方法与参数选择

3．3氖气激发态(Ne2p1)有效衰减率的测量

3．4结果与讨论

3．4．1 CF4气体放电中的放电模式

3．4．2外界参数对放电模式的影响

3．5本章小结

4二次电子对单频容性耦合等离子体放电模式的影响

4．1 引言

4．2二次电子对Ne气放电的影响

4．3二次电子对CF4气放电的影响

4．4本章小结

5 双频容性耦合心等离子体中的放电模式

5．1 引言

5．2电压的测量与PROES测量中谱线的选择

5．2．1电压的测量

5．2．2 PROES测量中谱线的选择

5．3结果与讨论

5．3．1 Ar等离子体中的放电模式

5．3．2外界参数对放电模式的影响

5．4本章小结

6结论与展望

6．1结论

6．2创新点

6．3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

作者简介