双频容性耦合等离子体刻蚀工艺的物理基础.ppt

双频容性耦合等离子体物理特性的研究* 王 友 年 大连理工大学物理与光电工程学院 * 国家自然科学基金重点项目资助课题 内 容 一、等离子体刻蚀技术的发展趋势及存在的问题 二、几种有代表性的等离子体源 三、描述 DF-CCP物理过程的解析模型 四、描述 DF-CCP物理过程的混合模型 五、直流偏压效应 六、有关实验工作进展 一、等离子体刻蚀技术的发展趋势及问题 低温等离子体刻蚀技术在微纳制造工艺中得到广泛地应 用，如超大规模集成电路、微机械系统、微光学系统的制 备。 1）半导体芯片加工 2）微电机系统（MEMS)加工 3）平板显示器的加工 4）衍射光栅的制备 微齿轮 微结构 集成电路发展趋势: 加工晶圆的面积更大 特征尺寸越来越小 集成度越来越高 对等离子体源的要求: 高的刻蚀率 高度的均匀性 高度的各向异性 高度的选择性 较低的介质损伤 等离子体刻蚀工艺的趋势 均匀性 刻蚀的均匀性包含两层意思： 1）宏观的不均匀性：在晶片的径向上造成的刻蚀率和刻蚀剖 面的不均匀 性。 2）微观不均匀性：在每个微槽的底部和侧面造成的刻蚀不均匀性。 等离子体密度 0R 为了适应纳电子器件的制备工艺，必须要： 1）提出大面积、高密度、均匀等离子体的新方法； 2）提出优化刻蚀工艺的新方法。 实验 (或工艺) 研究 计算机仿真模拟 1、平板式是射频容性耦合等离子体(CCP)源 plasma RF power 13.56MHz 进气 抽气 介质 电极 开始于上个世纪70年 代，主要用于反应性 等离子体刻蚀工艺。 单频CCP源的主要优点： 1.工作气压比较低（mTorr) 2.能够产生比较均匀的plasma 3.结构简单，造价低 . 二、几种有代表性的等离子体刻蚀源 根据熟知的定标关系可知：等离子体密度正比于驱 动电源频率的平方和施加的偏压，即 当电源频率w一定时, 要提高等离子体密度，唯一 的途径是增加施加偏压。但增加施加的射频偏压时， 轰击到晶片上的离子能量也随着增加。太高的离子能 量，将对晶片造成不必要的介质损伤。 早期使用的都是单一频率射频电源（13.56MHz)驱 动放电的CCP源，很难实现对等离子体密度（正比于 刻蚀率）和入射到晶片上离子的能量分布的独立控制 。 2、微波电子回旋共振(ECR)/RF偏压等离子体刻蚀源 3、射频感应耦合等离子体( ICP)/RF偏压刻蚀源 RF biased electrode wafer coil Insulating plate 平面线圈感应耦合等离子体源 主电源（连接在线圈）控制等离子体的状态； 偏压电源（施加在芯片台上）控制离子轰击晶片上的能 量分布。 感应耦合等离子体(ICP)源的特点 特点解决的问题 工作气压低( d. x=0 x=d LFHF Influence of HF-power frequency on plasma density P = 100mTorr, Vh = 200V, Vl =400V fl = 2MHz, fh = 20, 30, 60MHz, P=50 mTorr, Vh=50 V, Vl=100V, fh =60 MHz, fl=2,5, 10, 13.56 MHz Influence of LF-power frequency on plasma density P = 100mTorr, Vh = 200V, Vl =400V fl = 2MHz, fh = 20, 30, 60MHz, Influence of HF-power frequency on sheath voltage drop 平均鞘层电位降： 与解析模型的比较 fh = 30MHz, P =50mTorr, Vh = 200V, Vl = 400V fl = 2MHz P = 100mTorr, Vh = 200V, Vl = 400V 离子入射到电极上的能量分布 HF power LF power H 2R D Schematic diagram of DF-CCP H= 2.45cm 2R=43.18cm D=6.35cm Two-dimensional model I. Influence of high frequency fH averaged electron density: 27MHz 40MHz60MHz VHF=50V, VLF=100V, fL =2 MHz, p=100 mTorr The electron density increases significantly as increasing values of fL. averaged electron temperature: 27MHz 40MHz 60MHz VHF=50V, VLF=100V, fL =2 MHz, p=100 mTorr The electron density increases slightly as increasing values of fL. II. influence of low frequency 12MHz With the increase of low frequency, two sources become from decoupling to coupling, and the electron density increases significantly when two sources coupling. 2MHz 6MHz averaged electron density: VHF=50V, VLF=100V, fH =60 MHz, p=100 mTorr Averaged electron temperature: 2MHz With the increase of low frequency, the temperature of electrons increases slightly. 6MHz 12MHz VHF=50V, VLF=100V, fH =60 MHz, p=100 mTorr Ez in a LF period: VHF = 50V, VLF = 100V, fLF = 2MHz, fHF = 60MHz, p = 100mTorr Er in a LF period: VHF = 50V, VLF = 100V, fLF = 2MHz, fHF = 60MHz, p = 100mTorr Fluid simulations for CF4 plasmas (1D) 1. Basic model 2. CF4 plasma is an electronegative discharge, i.e., there 3. are no negative ions in the discharge. The plasma is 4. composed of neutrals (atoms and molecules), electrons, 5. positive ions, and negative ions. There are more than 30 reaction equations in the discharge. For simplification, we consider only four reaction processes, i.e., Ionization: CF4+e CF3+ +F+2e Attachment: CF4+e CF3 +F- Recombination: CF3+ + e CF3 Dissociation: CF4+e CF3 +F + e and four species of particles: electrons, CF4, CF3+, F- Plasma Physics Model (electrons and ions): Ki ionization rate Ka attachment rate Krec recombination rate fL = 2MHz, fH = 60MHz, VL = 2000V, VH = 1000V, Ddielectric=0.5mm Numerical results Influence of the discharge pressure on charged particle densities Influence of the HF voltage on charged particle densities fL = 2MHz, fH = 60MHz, VL = 1000V, p=100 mTorr, Ddielectric=0.5mm 五、直流偏压效应 Local electric field within micro trough Positive charged accumulated on dielectric Side etching E plasma LF DC HF 抑制正电荷积累的方法: DF-CCP/DC协同放电 1D PIC/MC simulations for Ar discharges Our recent publications about simulations of DF-CCP 1. 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. 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, 113502 (2006) 4. S. Wang, X. Xu and Y. N. Wang “Numerical investigation of ion energy distribution and ion angle distribution 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/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 radicals at substrates. Radial variations Next plan for our simulations Self-consistent study for the standing-wave effects in HF-CCP 2D fluid model2D Maxwell equations 六、 有关实验研究工作进展 1、大连理工大学 DF-CCP放电装置及诊断系统的研制 完成人：陆文琪、徐勇、朱爱民、 王友年等 目前已完成双频条件下的实验调试，正在进行实 验诊断系统的安装和调试 质谱仪 探针 特点： 1）高、低频电源可以接在同一电极或不同的 电极上； 2）两个电极的距离可调：15mm-30mm; 3）配有Langmuir探针、衰荡光谱、质谱诊 断系统 光谱仪 （1）双频电源（从日本购置） （2）反应室（沈阳科学仪器厂） （3）离子能量-质量分析器（英国Hiden公司） （4）射频探针、衰荡光谱系统（自行研制） DF-CCP装置 2、苏州大学 DF-CCP放电装置及诊断系统的研制 高频：60MHz 低频：2MHz、13.6MHz 完成人：辛煜、宁兆元等 目前已开展双频条件下的实验诊断研究，如测量 双频条件下的等离子体密度、电子能量分布的测 量。 双频容性耦合等离子体装置 苏州大学 HF: 50W E (eV)