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(xué)物理與光電工程學(xué)院

*國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助課題內(nèi)容一、等離子體刻蝕技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及存在的問(wèn)題二、幾種有代表性的等離子體源三、描述DF-CCP物理過(guò)程的解析模型四、描述DF-CCP物理過(guò)程的混合模型五、直流偏壓效應(yīng)六、有關(guān)實(shí)驗(yàn)工作進(jìn)展一、等離子體刻蝕技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及問(wèn)題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)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。

1）半導(dǎo)體芯片加工2）微電機(jī)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(jié)構(gòu)集成電路發(fā)展趨勢(shì):加工晶圓的面積更大特征尺寸越來(lái)越小集成度越來(lái)越高對(duì)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(shì)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(gè)微槽的底部和側(cè)面造成的刻蝕不均勻性。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：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(shí)驗(yàn)(或工藝)研究計(jì)算機(jī)仿真模擬1、平板式是射頻容性耦合等離子體(CCP)源plasmaRFpower13.56MHz進(jìn)氣抽氣介質(zhì)電極開(kāi)始于上個(gè)世紀(jì)70年代，主要用于反應(yīng)性等離子體刻蝕工藝。單頻CCP源的主要優(yōu)點(diǎn)：1.工作氣壓比較低（mTorr)2.能夠產(chǎn)生比較均勻的plasma3.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低.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)動(dòng)電源頻率的平方和施加的偏壓，即

當(dāng)電源頻率w一定時(shí),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(shí)，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(duì)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(dòng)放電的CCP源，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)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。2、微波電子回旋共振(ECR)/RF偏壓等離子體刻蝕源3、射頻頻感應(yīng)耦耦合等離離子體(ICP)/RF偏偏壓刻蝕蝕源RFbiasedelectrodewafercoilInsulatingplate平面線圈圈感應(yīng)耦耦合等離離子體源源主電電源（連連接在線線圈）控控制等離離子體的的狀態(tài)；；偏壓壓電源（（施加在在芯片臺(tái)臺(tái)上）控控制離子子轟擊晶晶片上的的能量分布。。感應(yīng)耦合合等離子子體(ICP)源的特特點(diǎn)特點(diǎn)解決的問(wèn)問(wèn)題工作氣壓壓低(<2Pa)等離子體體密度高高(1011cm-3~1012cm-3)產(chǎn)生等離離子體的的射頻源源與基片片臺(tái)射頻頻源獨(dú)立立控制提高各向向異性刻刻蝕提高離子子流密度度提高刻蝕蝕率提高刻蝕蝕的選擇擇性降低晶圓介介質(zhì)損傷問(wèn)題：1）適適于刻蝕金金屬、半導(dǎo)導(dǎo)體材料；；2）產(chǎn)生大大面積的均均勻性等離離子體比較較困難。4、雙頻電電容耦合等等離子體（（DF-CCP)源源UpperelectrodeLFsourceHFsourcePlasmalowerelectrode1）高頻電電源控制等等離子體密密度、低頻頻電源控制制離子的能能量。2）產(chǎn)生高高密度、大大面積均勻勻等離子體體；3)實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)絕緣體SiO2的刻蝕。（2000年---）DF-CCP源目前一些半半導(dǎo)體設(shè)備備制造公司司已經(jīng)研制制出或正在在研制這種種等離子體體刻蝕設(shè)備備，如：1）美國(guó)的的Lam（（泛林）公公司2)美國(guó)AppliedMaterials公司3)日本TokyoElectron4)中微(上海)半半導(dǎo)體設(shè)備備制造有限限公司(AMEC)DF-CCPsourcesSCCM-TE(TEL)Exelan-CFE(Lam)Enalber(AMT)D92SACEtcherD92SiNmaskEtcher-?Dual-CCP

4.5cm,30mT?Uniformity:-Dualcathode

?NarrowDual-CCP:2.0cm,40mT?PRSelectivity:Heatedtopelectrode

?VHFDual-CCP:

VeryHighFreq.

3.2cm,30mT

?HighE/R&PRSel.:~~60MHz2MHz~13.56MHz~162MHz目前對(duì)這種種雙頻CCP放電的的物理過(guò)程程和相應(yīng)的的刻蝕機(jī)理理，仍有很很多問(wèn)題需需要研究,如：1）兩個(gè)電源的的頻率匹配配問(wèn)題，27MH/1MHz,27MH/2MHz，，60MHz/2MHz？2）兩個(gè)電源的的施加方式式，施加在同一一個(gè)電極，，還是分別別在兩個(gè)電電極？3）高頻電源的的頻率到達(dá)達(dá)多高為好好？駐波效應(yīng)？？如何匹配配電源的頻頻率和腔室室的半徑？？Typicaloperatingconditionsfordielectricetchingon200-300mmsiliconwafersare:dischargeradius:R~15-25cmplateseparationl~1-5cmhighfrequencyfh~27.1-160MHzlowfrequencyfl~2-13.6MHzhigh-frequencyvoltageamplitude|Vh|~250-1000Vlow-frequencyvoltageamplitude|Vl|~500-3000Vpowersforbothlow-andhigh-frequencysources:500-3000Wdischargepressurep~30-300mTorr駐波效應(yīng)：：在超高頻情情況下，電電磁波的波波長(zhǎng)l可以與放電電裝置的反反應(yīng)腔室（（或電極半半徑）R相當(dāng)，從而而可以在等等離子體腔腔室內(nèi)部激激發(fā)一個(gè)徑徑向傳播的的電磁波，，即駐波，，引起等離離子體密度度徑向不均均勻性。這這對(duì)芯片刻刻蝕的均勻勻性影響很很大。ShapedlowerelectrodeL.Sansonnensetal.,J.Vac.Sci.Techn.A24,1425(2006)Methodforsuppressingstanding-wavenonuniformity盡管一些廠廠家研制的的這種刻蝕蝕機(jī)已在線線生產(chǎn)，但但對(duì)于這種種相關(guān)的基基礎(chǔ)研究開(kāi)開(kāi)展的不多多：為數(shù)不多的的理論研究究和計(jì)算機(jī)機(jī)模擬工作作；相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)研究工作作很少（2006年年---））。原因：1）在線使使用的刻蝕蝕機(jī)是一個(gè)個(gè)“黑匣子子”，沒(méi)有有留任何窗窗口對(duì)其中中的等離子子體進(jìn)行診診斷。2）在超高高頻或雙頻頻放電情況況下，診斷斷難度很大大，對(duì)現(xiàn)有有的探針診診斷技術(shù)是是一個(gè)挑戰(zhàn)戰(zhàn)。三、描述述DF-CCP物理理過(guò)程的解解析模型Jrf(t)=Jlcos(wlt)+Jhcos(wht)IondensityishomogeneousElectrondensityisstep-likedistributions高頻電源----快快速振蕩低頻電源----振振蕩的輪廓廓線等離子體密密度VL=400V，fL=2MHz,d=2cm,p=5mTorrInfluenceofhigh-frequencypowerontheplasmadensityVL=400V，fH=60MHz,VH=200V,d=2cm,p=5mTorrInfluenceoflow-frequencyonIEDF四、描述述DF-CCP物理理過(guò)程的混混合模型基本思想：：采用流體力力學(xué)方法描描述等離子子體的宏觀觀輸運(yùn)過(guò)程程電場(chǎng)分布布；采用Monte-Carlo方法模擬擬在鞘層中中與中性粒粒子的碰撞撞過(guò)程。Inputparameters:fL,fH,,PL,PH,,D,pFluidmodelinsheath:E(x,t),V(x,t),ni(x,t),s(t),Vsh(t)MCmethod:IEDF,IADFElectronfluxElectronenergyfluxElectronenergylossFluidmodels:ArplasmasionizationE(x,t)xj,vjIonpositionsxj(t)andvelocitiesvj(t)betweentwocontiguouscollisions.Pleasenotice:theiontrajectoryisabeelineundertheactionoftheelectricfield.離子在鞘層層中受鞘層層電場(chǎng)的運(yùn)運(yùn)動(dòng)e0e1qr離子在鞘層層中與中性性粒子的碰碰撞彈性碰撞電荷交換碰碰撞One-dimensionalmodelWhenthechamberradiusRisfarlargerthanthedistancedbetweentwoelectrodes,wecanusethe1Dmodeltosimulatethedischarge,i.e.,R>>d.x=0x=dLFHFInfluenceofHF-powerfrequencyonplasmadensityP=100mTorr,Vh=200V,Vl=400Vfl=2MHz,fh=20,30,60MHz,P=50mTorr,Vh=50V,Vl=100V,fh=60MHz,fl=2,5,10,13.56MHzInfluenceofLF-powerfrequencyonplasmadensityP=100mTorr,Vh=200V,Vl=400Vfl=2MHz,fh=20,30,60MHz,InfluenceofHF-powerfrequencyonsheathvoltagedrop平均鞘層電電位降：與解析模型型的比較fh=30MHz,P=50mTorr,Vh=200V,Vl=400Vfl=2MHzP=100mTorr,Vh=200V,Vl=400V離子入射到到電極上的的能量分布布HFpowerLFpowerH2RDSchematicdiagramofDF-CCPH=2.45cm2R=43.18cmD=6.35cmTwo-dimensionalmodelI.InfluenceofhighfrequencyfHaveragedelectrondensity:27MHz40MHz60MHzVHF=50V,VLF=100V,fL=2MHz,p=100mTorrTheelectrondensityincreasessignificantlyasincreasingvaluesoffL.averagedelectrontemperature:27MHz40MHz60MHzVHF=50V,VLF=100V,fL=2MHz,p=100mTorrTheelectrondensityincreasesslightlyasincreasingvaluesoffL.II.influenceoflowfrequency12MHzWiththeincreaseoflowfrequency,twosourcesbecomefromdecouplingtocoupling,andtheelectrondensityincreasessignificantlywhentwosourcescoupling.2MHz6MHzaveragedelectrondensity:VHF=50V,VLF=100V,fH=60MHz,p=100mTorrAveragedelectrontemperature:2MHzWiththeincreaseoflowfrequency,thetemperatureofelectronsincreasesslightly.6MHz12MHzVHF=50V,VLF=100V,fH=60MHz,p=100mTorrEzinaLFperiod:VHF=50V,VLF=100V,fLF=2MHz,fHF=60MHz,p=100mTorrErinaLFperiod:VHF=50V,VLF=100V,fLF=2MHz,fHF=60MHz,p=100mTorrFluidsimulationsforCF4plasmas(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):Ki–ionizationrateKa–attachmentrateKrec–recombinationratefL=2MHz,fH=60MHz,VL=2000V,VH=1000V,Ddielectric=0.5mmNumericalresultsInfluenceofthedischargepressureonchargedparticledensitiesInfluenceoftheHFvoltageonchargedparticledensitiesfL=2MHz,fH=60MHz,VL=1000V,p=100mTorr,Ddielectric=0.5mm五、直流偏偏壓效應(yīng)LocalelectricfieldwithinmicrotroughPositivechargedaccumulatedondielectricSideetchingEplasmaLFDCHF抑制正電荷荷積累的方方法:DF-CCP/DC協(xié)同放電電1DPIC/MCsimulationsforArdischargesOurrecentpublicationsaboutsimulationsofDF-CCP1.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”,bepublishedinPhysicsofPlasmasImprovinghybridsimulations,including1DsimulationsforCF4orCF4/Ardischarges2DsimulationsforCF4orCF4/ArdischargesInterestingquantities:Energydistributionfunctionsofdifferentspeciesions(suchasAr+,CF3+)atsubstrates;Angledistributionfunctionsofdifferentspeciesions(suchasAr+,CF3+)atsubstrates;Energyandangledistributionsofradicalsatsubstrates.RadialvariationsNextplanforoursimulationsSelf-consistentstudyforthestanding-waveeffectsinHF-CCP2Dfluidmodel2DMaxwellequations六、有關(guān)關(guān)實(shí)驗(yàn)研究究工作進(jìn)展展1、大連理理工大學(xué)DF-CCP放電裝裝置及診斷斷系統(tǒng)的研研制完成人：陸文琪、徐徐勇、朱愛(ài)愛(ài)民、王王友年等目前已完成成雙頻條件件下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)調(diào)試，正正在進(jìn)行實(shí)實(shí)驗(yàn)診斷系統(tǒng)統(tǒng)的安裝和和調(diào)試質(zhì)譜儀探針特點(diǎn)：1）高、低低頻電源可可以接在同同一電極或或不同的電電極極上；2）兩個(gè)電電極的距離離可調(diào)：15mm-30mm;

3））配有Langmuir探針針、衰蕩光光譜、質(zhì)譜譜診斷系統(tǒng)光譜儀（1）雙頻頻電源（從從日本購(gòu)置置）（2）反應(yīng)應(yīng)室（沈陽(yáng)陽(yáng)科學(xué)儀器器廠）（3）離子子能量-質(zhì)質(zhì)量分析器器（英國(guó)Hiden公司）（4）射頻頻探針、衰衰蕩光譜系系統(tǒng)（自行行研制）DF-CCP裝裝置置2、、蘇蘇州州大大學(xué)學(xué)DF-CCP放放電電裝裝置置及及診診斷斷系系統(tǒng)統(tǒng)的的研研制制高頻頻：：60MHz低頻頻：：2MHz、、13.6MHz完成成人人：：辛煜煜、、寧寧兆兆元元等等目前前已已開(kāi)開(kāi)展展雙雙頻頻條條件件下下的的實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)診診斷斷研研究究，，如如測(cè)測(cè)量量雙頻頻條條件件下下的的等等離離子子體體密密度度、、電電子子能能量量分分布布的的測(cè)測(cè)量。。雙頻頻容容性性耦耦合合等等離離子子體體裝裝置置蘇州州大大學(xué)學(xué)HF:50WE(eV)高頻頻(60MHz)放放電電情情況況下下電電子子的的能能量量分分布布E(eV)Pressure:2Pa辛煜煜等等（（蘇蘇州州大大學(xué)學(xué)））實(shí)驗(yàn)驗(yàn)結(jié)結(jié)果果顯顯示示：：EEDF為為三三溫溫、、單單溫溫分分布布等等PIC/MC模模擬擬結(jié)結(jié)果果模擬擬結(jié)結(jié)果果也也顯顯示示：：EEDF為為單單溫溫分分布布60MHz/13.56MHz條條件件下下的的電電子子密密度度下一一步步工工作作計(jì)計(jì)劃劃是是：：1））系統(tǒng)統(tǒng)研研究究雙雙頻頻條條件件下下的的Ar等等離離子子體體狀狀態(tài)態(tài)參參數(shù)數(shù)的的量量,主主要是是觀觀察察雙雙頻頻的的調(diào)調(diào)制制效效應(yīng)應(yīng)；；2））研究究反反應(yīng)應(yīng)性性氣氣體體或或混混合合氣氣體體(如如Ar/CF4)的的在在雙雙頻頻條條件下下的的放放電電行行為為；；3））低頻頻調(diào)調(diào)制制下下離離子子入入射射到到基基片片上上的的能能量量分分布布。。4））合作作開(kāi)開(kāi)展展數(shù)數(shù)值值模模擬擬與與實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)測(cè)測(cè)試試比比較較的的研研究究工工作作。Thanksforyourattention!9、靜夜四無(wú)無(wú)鄰，荒居居舊業(yè)貧。。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨中黃葉葉樹(shù)，燈下下白頭人。。。04:47:2504:47:2504:4712/29/20224:47:25AM11、以我我獨(dú)沈沈久，，愧君君相見(jiàn)見(jiàn)頻。。。12月月-2204:47:2504:47Dec-2229-Dec-2212、故人人江海海別，，幾度度隔山山川。。。04:47:2504:47:2504:47Thursday,December29,202213、乍見(jiàn)翻翻疑夢(mèng)，，相悲各各問(wèn)年。。。12月-2212月-2204:47:2504:47:25December29,202214、他鄉(xiāng)生白白發(fā)，舊國(guó)國(guó)見(jiàn)青山。。。29十二二月20224:47:25上上午04:47:2512月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月224:47上上午午12月月-2204:47December29,202216、行行動(dòng)動(dòng)出出成成果果，，工工作作出出財(cái)財(cái)富富。。。。2022/12/294:47:2504:47:2529December202217、做前，，能夠環(huán)環(huán)視四周周；做時(shí)時(shí)，你只只能或者者最好沿沿著以腳腳為起點(diǎn)點(diǎn)的射線線向前。。。4:47:25上午午4:47上午午04:47:2512月-229、沒(méi)有有失敗敗，只只有暫暫時(shí)停停止成成功??！。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、很多事情情努力了未未必有結(jié)果果，但是不不努力卻什什么改變也也沒(méi)有。。。04:47:2504:47:2504:4712/29/20224:47:25AM11、成功就是是日復(fù)一日日那一點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)小小努力力的積累。。。12月-2204:47:2504:47Dec-2229-Dec-2212、世間成事事，不求其其絕對(duì)圓滿滿，留一份份不足，可可得無(wú)限完完美。。04:47:2504:47:2504:47Thursday,December29,202213、不知知香積積寺，，數(shù)里里入云云峰。。。12月月-2212月月-2204:47:2504:47:25December29,202214、意意志志堅(jiān)堅(jiān)強(qiáng)強(qiáng)的的人人能能把把世世界界放放在在手手中中像像泥泥塊塊一一樣樣任任意意揉揉捏捏。。29十十二二月月20224:47:25