低氣壓雙頻容性耦合電負(fù)性等離子體物理特性的研究.pdf

1、雙頻容性耦合等離子體（Dual-Frequency Capacitively Coupled Plasmas，DF-CCPs）能夠獨(dú)立控制轟擊到基片表面的離子通量和能量，從而可以緩解刻蝕過程中刻蝕速率與器件損傷的矛盾和減弱薄膜沉積過程中的充電效應(yīng)，因而在國際上被廣泛地應(yīng)用到半導(dǎo)體芯片的刻蝕和沉積工藝中。電子密度及離子能量作為等離子體最基本的參數(shù)，對于理解等離子體的特性及優(yōu)化工藝過程具有重要的意義。到目前為止，有關(guān)DF-CCPs的實(shí)驗研究

2、主要以Ar放電為主，而對于在實(shí)際刻蝕工藝中被大量使用的電負(fù)性氣體，像O2、CF4、 c-C4F8等，實(shí)驗研究工作較少。本文從實(shí)驗上系統(tǒng)地研究了在O2、Ar/O2、Ar/CF4、Ar/O2/CF4放電中，控制變量（高頻功率、低頻頻率和功率、氣壓等）對電子密度和離子能量分布等的影響。同時，采用了流體模型及PIC/MC(Particle-In-Cell and Monte Calro)模型與實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行對比驗證。
　　本論文研究對象大多

3、是具有氧化性或腐蝕性的氣體，傳統(tǒng)的診斷手段（如，Langmuir探針）無法有效地使用，然而微波發(fā)卡探針和四極桿質(zhì)譜儀基本上不受腐蝕性氣體影響，可以較準(zhǔn)確地測量電子密度和離子能量分布。
　　在第1章，簡單地介紹了低溫等離子體在集成電路工業(yè)中的應(yīng)用、低溫射頻等離子體源、DF-CCP的研究進(jìn)展及熱點(diǎn)問題，給出了本論文的研究內(nèi)容安排。
　　在第2章，簡單地介紹了雙頻容性耦合放電裝置的關(guān)鍵參數(shù)，詳細(xì)地介紹了實(shí)驗中所使用的診斷手段（微波

4、發(fā)卡探針、光探針、四極桿質(zhì)譜儀、電壓-電流探測器）的原理、結(jié)構(gòu)和使用方法。其中，微波發(fā)卡探針可以測量電子密度，光探針可以測量特定譜線的發(fā)光強(qiáng)度，四極桿質(zhì)譜儀能夠分辨出不同質(zhì)荷比的離子并給出相應(yīng)的離子能量分布，電壓-電流探測器可以測量電壓、電流、功率等電學(xué)參數(shù)。最后，簡單介紹了本論文采用的數(shù)值模型，包括流體模型及PIC/MC模型。
　　在第3章，基于上述的實(shí)驗設(shè)備和診斷手段，系統(tǒng)地研究了在O2和Ar/O2放電中高頻功率、低頻功率、氣

5、壓對電子密度的影響。研究表明:在O2放電中，電子密度主要由高頻功率決定，隨著高頻功率的增加電子密度線性增大;在較高高頻功率下，隨著低頻功率的增加電子密度減小，而當(dāng)高頻功率較低時電子密度會隨著低頻功率增加而增大;隨著氣壓的升高，電子密度先快速增大而后緩慢減小;Ar的添加導(dǎo)致電子密度的增大，但不影響電子密度隨控制變量的變化趨勢。同時，采用了PIC/MC模擬對實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行驗證，二者取得較好的一致性。
　　在第4章，系統(tǒng)地研究了在Ar/O

6、2放電中低頻頻率、低頻功率、氣壓等對離子能量分布的影響。研究表明:低頻頻率和低頻功率是影響離子能量分布的主要參數(shù)，并且二者的作用相反，即隨著低頻頻率增大，能寬逐漸變窄，高能峰向著低能區(qū)移動，而隨著低頻功率的增大，能寬逐漸變寬，高能峰向著高能區(qū)移動;氣壓的升高導(dǎo)致激烈的共振電荷交換碰撞，產(chǎn)生更多的低能電子。同時，采用了PIC/MC模擬對部分實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行驗證，二者給出相同的變化趨勢，但在數(shù)值方面二者存在著差異，針對差異分析了可能的原因。

7、r>　　在第5章，系統(tǒng)地研究了在Ar/CF4和Ar/O2/CF4放電中高頻功率、低頻功率、氣壓對電子密度和離子能量分布的影響。研究表明:在Ar/CF4放電中，電子密度主要由高頻功率決定，低頻功率影響很小，O2的添加會導(dǎo)致電子密度的下降但不會影響電子密度隨控制變量的變化趨勢;離子能量主要由低頻源（頻率和功率）決定，高頻功率對其影響較小，氣壓的升高會導(dǎo)致能量分布中低能離子的增多。
　　在第6章，研究了在O2放電中驅(qū)動頻率對電子密度的影

8、響。在相同的輸入功率下，不同驅(qū)動頻率的等離子體吸收功率不同，很大一部分輸入功率耗散在匹配網(wǎng)絡(luò)，在100MHz下，損失的功率高達(dá)50％以上。在固定等離子體吸收功率的條件下，電子密度隨著頻率從13.56 MHz升高到40.68 MHz而增大，當(dāng)頻率進(jìn)一步從60 MHz升高到100 MHz時，電子密度在2.6 Pa和13.3 Pa下呈現(xiàn)不同的變化趨勢。在固定極板電壓的條件下，電子密度隨驅(qū)動頻率的增大先增大后減小，在40.68 MHz時達(dá)到最大