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单、双频激发的容性耦合等离子体诊断实验研究

作　者: 虞一青
导　师: 宁兆元；辛煜
学　校: 苏州大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 容性耦合等离子体碰撞辐射模型朗缪尔探针双探针发射光谱
分类号: O536
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

低气压下的容性耦合等离子体(CCP)技术在现代微细加工过程中发挥着重要作用。在半导体工业生产中,需要对薄膜进行各向异性刻蚀。基于等离子体放电的干法刻蚀工艺在这一过程中发挥了不可替代的作用。由于集成电路特征尺寸的不断减小和集成度的持续提高,以及待处理基片面积的不断增大,对等离子体加工技术提出了更高的要求。容性放电的特性研究是目前产学界共同关注的热点,人们对包括新型的双频容性耦合放电在内的各种放电方式进行了研究。在这种放电方式中,人们希望通过一个高频来控制等离子体的产生,另一个低频则用于控制离子轰击能量,从而实现离子通量、能量的独立控制。由于等离子体的复杂性,目前容性放电中仍有许多问题有待研究。本文通过使用朗缪尔探针、悬浮双探针以及发射光谱技术,对单频及双频CCP放电进行了实验研究。1.对低气压Ar等离子体放电建立了一个碰撞辐射模型,主要考虑了电子碰撞激发、电离、自发辐射等过程。在低气压下,亚稳态的扩散损失是一个重要的损失机制。考察了各激发态对电子温度、密度等参量的依赖关系。发现电子密度、温度的增加有利于各激发态密度的提高,但对辐射态、亚稳态的影响有所不同。结合发射光谱与探针测量,对13.56 MHz单频容性耦合放电进行了诊断,发现模型计算与探针获得的结果符合的较好。2.双频CCP中较低的低频频率以及各种倍频、混频等会对传统的朗缪尔探针产生强烈的干扰以致无法工作。在固定气压为5 Pa的条件下,我们使用了悬浮的双探针与发射光谱对13.56/2、27/2、41/2、60/2 MHz不同频率组合的双频激发的Ar等离子体容性放电进行了实验研究。发现低频的施加使电子温度立即迅速上升,随后基本保持稳定;电子密度则首先略下降,随后持续上升。随着高频频率从13.56 MHz提高至60 MHz,这一趋势逐渐变弱,表明较高的高频频率有利于高、低频之间的解耦。对13.56 MHz以上的高频,光谱结果显示Ar的750.4 nm谱线强度随低频功率的增加先略增强,随后持续下降。对探针与光谱结果之间的不一致行为进行了分析,认为高频的升高将引起电子能量分布函数的转变,在低频功率施加之后表现了出来。研究了41/2 MHz的Ar的容性放电中气压的影响,结果显示电子温度总体上随气压上升而下降。电子密度随着气压的增加而先上升后降低。在高气压下,较大的低频功率使电子温度显著降低。这被认为是放电模式(α模式和γ模式)发生转变所导致的。随着气压的升高,不同低频功率的施加对电子能量分布产生了不同的影响。3.使用悬浮双探针和发射光谱对60/ 2、60/13.56 MHz双频组合的氮气容性放电进行了实验研究。发现在高气压下,60/13.56 MHz和60/2 MHz双频放电特性出现了显著不同。在60/2 MHz放电中,在高气压和大的低频功率条件下,电子密度和光谱强度出现了反常增强。通过对电子密度、温度及光谱强度的分析,认为此时发生了放电模式的转变,导致基态氮离子N2+(X)密度的升高及随后氮离子谱线的反常增强。激发态氮离子N2+(B)主要来自于电子对基态氮离子N2+(X)的激发。通过拟合转动光谱计算了N2的双频放电中分子、离子的转动温度。随着低频功率和气压的增加,分子、离子的转动温度都呈上升趋势。60/2 MHz放电中离子温度明显高于60/13.56 MHz放电,而不同低频对分子转动温度的影响不大。讨论了不同低频对离子温度的影响。低频为2 MHz时,N2+离子能够响应电场变化被有效加热,因而温度较高。

全文目录

中文摘要  4-6
Abstract  6-12
第一章绪论  12-34
  1.1 等离子体的分类  12-13
  1.2 等离子体技术的应用领域  13
  1.3 低温等离子体技术在半导体工业中的应用  13-15
  1.4 常用的几种低温等离子体源  15-19
  1.5 容性耦合放电的发展与研究现状  19-25
  1.6 本文的研究内容  25-27
  参考文献  27-34
第二章等离子体诊断及分析方法  34-60
  2.1 静电探针  34-39
    2.1.1 探针的使用条件及工作原理  35-38
    2.1.2 实验用Langmuir 探针  38-39
  2.2 双探针  39-43
    2.2.1 双探针工作原理  40-41
    2.2.2 实验用双探针  41-43
  2.3 等离子体中的辐射与光学诊断方法  43-47
    2.3.1 等离子体中的辐射  43-44
    2.3.2 光谱谱线的展宽与线型  44
    2.3.3 等离子体发射光谱的应用  44-46
    2.3.4 发射光谱仪  46-47
  2.4 双原子分子的结构与光谱  47-55
    2.4.1 双原子分子的转动及转动光谱  48-49
    2.4.2 双原子分子的振动及振动光谱  49-51
    2.4.3 振动转子  51-53
    2.4.4 双原子分子的电子态及电子光谱  53-55
  2.5 转动光谱的强度与温度拟合  55-58
  参考文献  58-60
第三章 Ar 的碰撞辐射模型应用于单频容性耦合等离子体的电子密度与温度的诊断  60-86
  3.1 碰撞辐射模型  60-74
    3.1.1 模型中能级的选取  62-64
    3.1.2 原子中电子的耦合方式，选择定则  64-65
    3.1.3 氩原子的光谱标记  65-68
    3.1.4 电子碰撞速率常数的计算  68-69
    3.1.5 碰撞截面  69-70
    3.1.6 有效能级的自发辐射系数  70-71
    3.1.7 逃逸因子  71-72
    3.1.8 平衡方程  72-74
  3.2 实验设置  74-75
  3.3 模型讨论与分析  75-81
  3.4 模型与探针诊断的比较与分析  81-82
  3.5 本章小结  82-83
  参考文献  83-86
第四章氩气的单、双频激发的容性放电诊断实验研究  86-108
  4.1 单频放电中电子温度、密度随放电参数的变化  87-91
  4.2 不同频率组合的双频放电  91-102
    4.2.1 实验设置  91-92
    4.2.2 电子温度随放电参数的变化  92-94
    4.2.3 电子密度随放电参数的变化  94-96
    4.2.4 谱线强度随放电参数的变化  96-98
    4.2.5 探针与光谱结果的比较及分析  98-102
  4.3 气压对双频放电的影响  102-104
  4.4 本章小结  104-105
  参考文献  105-108
第五章氮气的双频容性放电诊断研究  108-124
  5.1 实验设置  108-109
  5.2 谱线强度随放电参数的变化  109-111
  5.3 电子密度、温度随放电参数的变化  111-113
  5.4 N_2~+(B)离子激发机理的讨论  113-117
  5.5 氮气分子和离子的转动温度  117-119
  5.6 本章小结  119-121
  参考文献  121-124
第六章结论与展望  124-127
  6.1 结论  124-125
  6.2 展望  125-127
创新性说明  127-128
攻读博士学位期间公开发表的论文  128-129
致谢  129-130

单、双频激发的容性耦合等离子体诊断实验研究

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