双频容性耦合等离子体物理特性的研究

1、双频容性耦合等离子体物理特性的研究双频容性耦合等离子体物理特性的研究* 王王 友友 年年 大连理工大学物理与光电工程学院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国家自然科学基金重点项目资助课题内内 容容一、等离子体刻蚀技术的发展趋势及存在的问题一、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二、几种有代表性的等离子体源三、描述三、描述 DF-CCP物理过程的物理过程的解析模型解析模型四、描述四、描述 DF-CCP物理过程的物理过程的混合模型混合模型五、直流偏压效应五、直流偏压效应六、有关实验工作进展六、有关实验工作进展一、等离子体刻蚀技术的

2、发展趋势及问题一、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低温等离子体刻蚀技术在微纳制造工艺中得到广泛地应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、微光学系统的制用，如超大规模集成电路、微机械系统、微光学系统的制备。备。 1 1）半导体芯片加工）半导体芯片加工2 2）微电机系统（）微电机系统（MEMS)MEMS)加工加工3 3）平板显示器的加工）平板显示器的加工4 4）衍射光栅的制备）衍射光栅的制备微齿轮微齿轮微结构微结构集成电路发展趋势集成电路发展趋势: :加工晶圆的面积更大加工晶圆的面积更大特征尺寸越来越小特征尺寸越来越小集成度越来越高集成度越来越高对等

3、离子体源的要求对等离子体源的要求: :高的刻蚀率高的刻蚀率高度的均匀性高度的均匀性高度的各向异性高度的各向异性高度的选择性高度的选择性较低的介质损伤较低的介质损伤等离子体刻蚀工艺的趋势等离子体刻蚀工艺的趋势 均匀性均匀性 刻蚀的均匀性包含两层意思：刻蚀的均匀性包含两层意思： 1）宏观的不均匀性）宏观的不均匀性：在晶片的径向上造成的刻蚀率和刻蚀剖：在晶片的径向上造成的刻蚀率和刻蚀剖 面的不均匀面的不均匀性。性。 2）微观不均匀性：）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。在每个微槽的底部和侧面造成的刻蚀不均匀性。等离子体密度等离子体密度0R为了适应纳电子器件的制备工艺，必须要：为

4、了适应纳电子器件的制备工艺，必须要： 1 1）提出大面积、高密度、均匀等离子体的新方法；提出大面积、高密度、均匀等离子体的新方法； 2 2）提出优化刻蚀工艺的新方法。提出优化刻蚀工艺的新方法。 实验实验 (或工艺或工艺) 研究研究 计算机仿真模拟计算机仿真模拟1、平板式是射频容性耦合等离子体、平板式是射频容性耦合等离子体(CCP)源源plasmaRF power13.56MHz进气进气抽气抽气介质介质电极电极开始于上个世纪开始于上个世纪7070年年代，主要用于反应性代，主要用于反应性等离子体刻蚀工艺。等离子体刻蚀工艺。单频单频CCPCCP源的主要优点：源的主要优点：1.1.工作气压比较低（工作

5、气压比较低（mTorrmTorr) )2.2.能够产生比较均匀的能够产生比较均匀的plasmaplasma3.3.结构简单，造价低结构简单，造价低 . . 二、几种有代表性的等离子体刻蚀源二、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动电源频率的平方的平方和施加的偏压，即和施加的偏压，即 当电源频率当电源频率w w一定时一定时, , 要提高等离子体密度，唯一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，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

6、的离子能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。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（早期使用的都是单一频率射频电源（13.56MHz)13.56MHz)驱驱动放电的动放电的CCPCCP源，很难实现对等离子体密度（正比于源，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。刻蚀率）和入射到晶片上离子的能量分布的独立控制。2rfnV2、微波电子回旋共振、微波电子回旋共振(ECR)/RF偏压等离子体刻蚀源偏压等离子体刻蚀源3、射频感应耦合等离子体、射频感应耦合等离子体( ICP)/RF偏压刻蚀源偏压刻

7、蚀源RF biased electrodewafercoilInsulating plate平面线圈感应耦合等离子体源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；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。量分布。感应耦合等离子体感应耦合等离子体(ICP)源的特点源的特点特点特点解决的问题解决的问题工作气压低工作气压低( d.x=0 x=dLF)sin()sin()(tVtVtVhhllrfHFInfluence of HF-power frequency on pl

8、asma density0.00.51.01.52.00123 ne (1010cm-3) fh=60MHz fh=30MHz fh=20MHzx (cm) P = 100mTorr, Vh = 200V, Vl =400V fl = 2MHz, fh = 20, 30, 60MHz,051015200123 n (1010cm-3)x (mm) 2MHz 5MHz 10MHz 13.56MHzP=50 mTorr, Vh=50 V, Vl=100V, fh =60 MHz, fl=2,5, 10, 13.56 MHzInfluence of LF-power frequency on pla

9、sma density0.00.51.01.52.0-600-400-2000Vsh (V) RF cyclefh=60MHz-600-400-2000 fh=30MHz-600-400-2000 fh=20MHz P = 100mTorr, Vh = 200V, Vl =400V fl = 2MHz, fh = 20, 30, 60MHz,Influence of HF-power frequency on sheath voltage drop1.01.52.02.53.03.5-300-250-200-150-100 Vsh (V)Vl/Vh Analytic Model 1/30MHz

10、 2/30MHz 6/30MHz平均鞘层电位降：平均鞘层电位降：与解析模型的比较与解析模型的比较01002003004000.000.010.020.03 fl=5MHzEnergy(eV)0.000.010.020.03 fl=2MHz0.000.010.020.03 fl=1MHzIED01002003004000.000.010.02fh=60MHz Energy(eV)0.000.010.020.030.04fh=30MHz 0.000.010.020.030.04fh=20MHz IEDfh = 30MHz, P =50mTorr, Vh = 200V, Vl = 400Vfl =

11、2MHz P = 100mTorr, Vh = 200V, Vl = 400V离子入射到电极上的能量分布离子入射到电极上的能量分布HF powerLF power H 2R DSchematic diagram of DF-CCPH= 2.45cm2R=43.18cm D=6.35cmTwo-dimensional model I. Influence of high frequency fH averaged electron density:27MHz40MHz60MHzVHF=50V, VLF=100V, fL =2 MHz, p=100 mTorrThe electron densit

12、y increases significantly as increasing values of fL. averaged electron temperature:27MHz40MHz60MHzVHF=50V, VLF=100V, fL =2 MHz, p=100 mTorrThe electron density increases slightly as increasing values of fL.II. influence of low frequency12MHzWith the increase of low frequency, two sources become fro

13、m decoupling to coupling, and the electron density increases significantly when two sources coupling.2MHz6MHz averaged electron density:VHF=50V, VLF=100V, fH =60 MHz, p=100 mTorr Averaged electron temperature:2MHzWith the increase of low frequency, the temperature of electrons increases slightly.6MH

14、z12MHzVHF=50V, VLF=100V, fH =60 MHz, p=100 mTorrEz in a LF period:VHF = 50V, VLF = 100V, fLF = 2MHz, fHF = 60MHz, p = 100mTorrEr in a LF period:VHF = 50V, VLF = 100V, fLF = 2MHz, fHF = 60MHz, p = 100mTorrFluid simulations for CF4 plasmas (1D) Basic model CF4 plasma is an electronegative discharge, i

15、.e., there are no negative ions in the discharge. The plasma is composed of neutrals (atoms and molecules), electrons, positive ions, and negative ions.3242622 34-323FC ,FC ,FCF, C, CF, ,CF ,CF ,CF :are species neutral TheF,CF :ions negative;F ,CF ,CF ,CF : ions positivee; :electrons:are discharge i

16、n the species charged TheThere are more than 30 reaction equations in the discharge. For simplification, we consider only four reaction processes, i.e.,Ionization: CF4+e CF3+ +F+2eAttachment: CF4+e CF3 +F-Recombination: CF3+ + e CF3Dissociation: CF4+e CF3 +F + eand four species of particles:electron

17、s, CF4, CF3+, F-Plasma Physics Model (electrons and ions):nnnexENnKEejxqtnNnKNnKxjtnNnKNnKxjtnNnKNnKxjtneeLeeeeereceaereceieaeiee0)(Ki ionization rateKa attachment rateKrec recombination ratefL = 2MHz, fH = 60MHz, VL = 2000V, VH = 1000V, Ddielectric=0.5mmNumerical results0.00.51.01.52.02.50246 Densi

18、ty (1010cm-3)X (cm) e F- CF3+P=50mTorr0.00.51.01.52.02.50204060 Density (1010cm-3)X (cm) e F- CF3+P=100mTorrInfluence of the discharge pressure on charged particle densities0.00.51.01.52.02.502468101214 Density (1010cm-3)X (cm) e F- CF3+VH=400V0.00.51.01.52.02.5010203040506070 Density (1010cm-3)X (c

19、m) e F- CF3+VH=800VInfluence of the HF voltage on charged particle densitiesfL = 2MHz, fH = 60MHz, VL = 1000V, p=100 mTorr, Ddielectric=0.5mm五、直流偏压效应五、直流偏压效应 Local electric field within micro troughPositive charged accumulated on dielectric Side etchingEplasma LFDCHF抑制正电荷积累的方法抑制正电荷积累的方法: : DF-CCP/DC

20、DF-CCP/DC协同放电协同放电1D PIC/MC simulations for Ar dischargesOur recent publications about simulations of DF-CCP1. 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

21、. 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

22、, 113502 (2006) 4. S. Wang, X. Xu and Y. N. Wang“Numerical investigation of ion energy distribution and ion angledistribution 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/

23、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 r

24、adicals at substrates.Radial variations Next plan for our simulationsSelf-consistent study for the standing-wave effects in HF-CCP2D fluid model2D Maxwell equations0000 where the electric current density and the charge densities( , ) are determined by the fluid model.ieeittennnn BE = -EB =j-Ej六、六、 有

25、关实验研究工作进展有关实验研究工作进展 1 1、大连理工大学、大连理工大学 DF-CCPDF-CCP放电装置及诊断系统的研制放电装置及诊断系统的研制 完成人：完成人：陆文琪、徐勇、朱爱民、陆文琪、徐勇、朱爱民、 王友年等王友年等 目前已完成双频条件下的实验调试，正在进行实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验诊断系统的安装和调试 质谱仪质谱仪探针探针特点：特点：1）高、低频电源可以接在同一电极或不同的）高、低频电源可以接在同一电极或不同的 电极上；电极上； 2）两个电极的距离可调：）两个电极的距离可调：15mm-30mm;3）配有）配有Langmuir探针、衰荡光谱

26、、质谱诊探针、衰荡光谱、质谱诊 断系统断系统 光谱仪光谱仪 （1 1）双频电源（从日本购置）双频电源（从日本购置） （2 2）反应室（沈阳科学仪器厂）反应室（沈阳科学仪器厂） （3 3）离子能量）离子能量- -质量分析器（英国质量分析器（英国HidenHiden公司）公司） （4 4）射频探针、衰荡光谱系统（自行研制）射频探针、衰荡光谱系统（自行研制） DF-CCP装置2 2、苏州大学、苏州大学 DF-CCPDF-CCP放电装置及诊断系统的研制放电装置及诊断系统的研制 高频：高频：60MHz60MHz 低频：低频：2MHz2MHz、13.6MHz13.6MHz 完成人：完成人：辛煜、宁兆元等辛

27、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、电子能量分布的测双频条件下的等离子体密度、电子能量分布的测量。量。双频容性耦合等离子体装置双频容性耦合等离子体装置苏州大学苏州大学02468 10 12 14 16 18 201E-81E-71E-61E-51E-4 EEPF ( eV-3/2 m-3 )Electron energy ( eV ) 0.9Pa 1.2Pa 1.5Pa 2.0Pa 2.5Pa 3.0Pa 4.0PaHF: 50WHF: 50W E (eV)高频高频 ( 60 MHz )放电情况下电子的能量分布放电情况下电子的能量分布036