雙頻容性耦合等離子體物理特性的研究*

王友年

大連理工大學物理與光電工程學院

*國家自然科學基金重點項目資助課題內容一、等離子體刻蝕技術的發展趨勢及存在的問題二、幾種有代表性的等離子體源三、描述DF-CCP物理過程的解析模型四、描述DF-CCP物理過程的混合模型五、直流偏壓效應六、有關實驗工作進展一、等離子體刻蝕技術的發展趨勢及問題低溫等離子體刻蝕技術在微納制造工藝中得到廣泛地應用，如超大規模集成電路、微機械系統、微光學系統的制備。

1）半導體芯片加工2）微電機系統（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構集成電路發展趨勢:加工晶圓的面積更大特征尺寸越來越小集成度越來越高對等離子體源的要求: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損傷等離子體刻蝕工藝的趨勢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：在每個微槽的底部和側面造成的刻蝕不均勻性。等離子體密度0R為了適應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）提出優化刻蝕工藝的新方法。

實驗(或工藝)研究計算機仿真模擬1、平板式是射頻容性耦合等離子體(CCP)源plasmaRFpower13.56MHz進氣抽氣介質電極開始于上個世紀70年代，主要用于反應性等離子體刻蝕工藝。單頻CCP源的主要優點：1.工作氣壓比較低（mTorr)2.能夠產生比較均勻的plasma3.結構簡單，造價低.二、幾種有代表性的等離子體刻蝕源根據熟知的定標關系可知：等離子體密度正比于驅動電源頻率的平方和施加的偏壓，即

當電源頻率w一定時,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，轟擊到晶片上的離子能量也隨著增加。太高的離子能量，將對晶片造成不必要的介質損傷。早期使用的都是單一頻率射頻電源（13.56MHz)驅動放電的CCP源，很難實現對等離子體密度（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；；偏壓壓電源（（施加在在芯片臺臺上）控控制離子子轟擊晶晶片上的的能量分布。。感應耦合合等離子子體(ICP)源的特特點特點解決的問問題工作氣壓壓低(<2Pa)等離子體體密度高高(1011cm-3~1012cm-3)產生等離離子體的的射頻源源與基片片臺射頻頻源獨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損傷問題：1）適適于刻蝕金金屬、半導導體材料；；2）產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）產生高高密度、大大面積均勻勻等離子體體；3)實現對對絕緣體SiO2的刻蝕。（2000年---）DF-CCP源目前一些半半導體設備備制造公司司已經研制制出或正在在研制這種種等離子體體刻蝕設備備，如：1）美國的的Lam（（泛林）公公司2)美國AppliedMaterials公司3)日本TokyoElectron4)中微(上海)半半導體設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目前對這種種雙頻CCP放電的的物理過程程和相應的的刻蝕機理理，仍有很很多問題需需要研究,如：1）兩個電源的的頻率匹配配問題，27MH/1MHz,27MH/2MHz，，60MHz/2MHz？2）兩個電源的的施加方式式，施加在同一一個電極，，還是分別別在兩個電電極？3）高頻電源的的頻率到達達多高為好好？駐波效應？？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：：在超高頻情情況下，電電磁波的波波長l可以與放電電裝置的反反應腔室（（或電極半半徑）R相當，從而而可以在等等離子體腔腔室內部激激發一個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已在線線生產，但但對于這種種相關的基基礎研究開開展的不多多：為數不多的的理論研究究和計算機機模擬工作作；相關的實驗驗研究工作作很少（2006年年---））。原因：1）在線使使用的刻蝕蝕機是一個個“黑匣子子”，沒有有留任何窗窗口對其中中的等離子子體進行診診斷。2）在超高高頻或雙頻頻放電情況況下，診斷斷難度很大大，對現有有的探針診診斷技術是是一個挑戰戰。三、描述述DF-CCP物理理過程的解解析模型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物理理過程的混混合模型基本思想：：采用流體力力學方法描描述等離子子體的宏觀觀輸運過程程電場分布布；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的運運動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LocalelectricfieldwithinmicrotroughPositivechargedaccumulatedondielectricSideetchingEplasmaLFDCHF抑制正電荷荷積累的方方法:DF-CCP/DC協同放電電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、有關關實驗研究究工作進展展1、大連理理工大學DF-CCP放電裝裝置及診斷斷系統的研研制完成人：陸文琪、徐徐勇、朱愛愛民、王王友年等目前已完成成雙頻條件件下的實驗驗調試，正正在進行實實驗診斷系統統的安裝和和調試質譜儀探針特點：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）兩個電電極的距離離可調：15mm-30mm;

3））配有Langmuir探針針、衰蕩光光譜、質譜譜診斷系統光譜儀（1）雙頻頻電源（從從日本購置置）（2）反應應室（沈陽陽科學儀器器廠）（3）離子子能量-質質量分析器器（英國Hiden公司）（4）射頻頻探針、衰衰蕩光譜系系統（自行行研制）DF-CCP裝裝置置2、、蘇蘇州州大大學學DF-CCP放放電電裝裝置置及及診診斷斷系系統統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開展展雙雙頻頻條條件件下下的的實實驗驗診診斷斷研研究究，，如如測測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測量。。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學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（（蘇蘇州州大大學學））實驗驗結結果果顯顯示示：：EEDF為為三三溫溫、、單單溫溫分分布布等等PIC/MC模模擬擬結結果果模擬擬結結果果也也顯顯示示：：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計劃劃是是：：1））系統統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態參參數數的的量量,主主要是是觀觀察察雙雙頻頻的的調調制制效效應應；；2））研究究反反應應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））低頻頻調調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））合作作開開展展數數值值模模擬擬與與實實驗驗測測試試比比較較的的研研究究工工作作。Thanksforyourattention!9、靜夜四無無鄰，荒居居舊業貧。。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨中黃葉葉樹，燈下下白頭人。。。04:47:2504:47:2504:4712/29/20224:47:25AM11、以我我獨沈沈久，，愧君君相見見頻。。。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、乍見翻翻疑夢，，相悲各各問年。。。12月-2212月-2204:47:2504:47:25December29,202214、他鄉生白白發，舊國國見青山。。。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、行行動動出出成成果果，，工工作作出出財財富富。。。。2022/12/294:47:2504:47:2529December202217、做前，，能夠環環視四周周；做時時，你只只能或者者最好沿沿著以腳腳為起點點的射線線向前。。。4:47:25上午午4:47上午午04:47:2512月-229、沒有有失敗敗，只只有暫暫時停停止成成功！！。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、很多事情情努力了未未必有結果果，但是不不努力卻什什么改變也也沒有。。。04:47:2504:47:2504:4712/29/20224:47:25AM11、成功就是是日復一日日那一點點點小小努力力的積累。。。12月-2204:47:2504:47Dec-2229-Dec-2212、世間成事事，不求其其絕對圓滿滿，留一份份不足，可可得無限完完美。。04:47:2504:47:2504:47Thursday,December29,202213、不知知香積積寺，，數里里入云云峰。。。12月月-2212月月-2204:47:2504:47:25December29,202214、意意志志堅堅強強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