双频容性耦合等离子体刻蚀工艺的物理基础-PowerPoi.pptx

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工程资助课题内 容一、等离子体刻蚀技术的开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开展趋势及问题 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开展趋势: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plasmaRFpower13.56MHz进气抽气介质电极开始于上个世纪70年代，主要用于反响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plasma3.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、微波电子盘旋共振(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 electrodewafercoilInsulating plate平面线圈感应耦合等离子体源 主电源连接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=dLFHFInfluence of HF-power frequency on plasma densityP=100mTorr,Vh=200V,Vl=400Vfl=2MHz,fh=20,30,60MHz,P=50mTorr,Vh=50V,Vl=100V,fh=60MHz,fl=2,5,10,13.56MHzInfluence of LF-power frequency on plasma densityP=100mTorr,Vh=200V,Vl=400Vfl=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=400Vfl=2MHzP=100mTorr,Vh=200V,Vl=400V离子入射到电极上的能量分布HF powerLF powerH2RDSchematicdiagramofDF-CCPH=2.45cm2R=43.18cmD=6.35cmTwo-dimensional model I. Influence of high frequency fHaveragedelectrondensity:27MHz40MHz60MHzVHF=50V, VLF=100V, fL =2 MHz, p=100 mTorrTheelectrondensityincreasessignificantlyasincreasingvaluesoffL.averagedelectrontemperature:27MHz40MHz60MHzVHF=50V, VLF=100V, fL =2 MHz, p=100 mTorrTheelectrondensityincreasesslightlyasincreasingvaluesoffL.II.influenceoflowfrequency12MHzWiththeincreaseoflowfrequency,twosourcesbecomefromdecouplingtocoupling,andtheelectrondensityincreasessignificantlywhentwosourcescoupling.2MHz6MHzaveragedelectrondensity:VHF=50V,VLF=100V,fH =60 MHz, p=100 mTorrAveragedelectrontemperature:2MHzWiththeincreaseoflowfrequency,thetemperatureofelectronsincreasesslightly.6MHz12MHzVHF=50V,VLF=100V,fH =60 MHz, p=100 mTorrEzinaLFperiod:VHF =50V,VLF =100V,fLF =2MHz,fHF =60MHz,p =100mTorrErinaLFperiod:VHF =50V,VLF =100V,fLF =2MHz,fHF =60MHz,p =100mTorrFluid simulations for CF4 plasmas (1D) 1. Basicmodel2. CF4plasmaisanelectronegativedischarge,i.e.,there3. arenonegativeionsinthedischarge.Theplasmais4. composedofneutrals(atomsandmolecules),electrons,5. 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-Plasma Physics Model (electrons and ions):KiionizationrateKaattachmentrateKrecrecombinationratefL = 2MHz, fH = 60MHz, VL = 2000V, VH = 1000V, Ddielectric=0.5mmNumerical resultsInfluence of the discharge pressure on charged particle densitiesInfluence 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 LocalelectricfieldwithinmicrotroughPositivechargedaccumulatedondielectricSideetchingEplasmaLFDCHF抑制正电荷积累的方法: DF-CCP/DC协同放电1D PIC/MC simulations for Ar dischargesOur recent publications about simulations of DF-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.RadialvariationsNext plan for our simulationsSelf-consistent study for the standing-wave effects in HF-CCP2Dfluidmodel2DMaxwellequations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反响室沈阳科学仪器厂 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: 50WE(eV)高频 ( 60 MHz )放电情况下电子的能量分布E(eV)Pressure: 2Pa辛煜等苏州大学实验结果显示：EEDF为三温、单温分布。