本文關(guān)鍵詞：雙頻容性耦合碳氟等離子體的光學(xué)診斷研究

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【摘要】：雙頻容性耦合等離子體源(Dual Frequency Capacitively Coupled Plasma, DF-CCP)不但能夠產(chǎn)生大面積均勻的等離子體,而且能夠獨立地控制等離子體密度以及轟擊到極板上的離子能量,因此已被廣泛地應(yīng)用到半導(dǎo)體制造工藝中。近年來,隨著微電子工業(yè)的迅速發(fā)展,半導(dǎo)體器件特征尺寸的不斷縮減,工業(yè)上對等離子體的加工工藝也提出了更高的要求。不僅要求通過改變等離子體外部放電條件,實現(xiàn)對等離子體內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)更為有效的控制,而且需要進一步揭示等離子體內(nèi)部微觀的物理過程和化學(xué)反應(yīng)機理,從而為DF-CCP源的優(yōu)化提供有價值的參考。目前,碳氟等離子體因為能夠產(chǎn)生大量與Si及SiO2反應(yīng)的活性自由基,在刻蝕和薄膜沉積工藝中應(yīng)用最為廣泛。基于上述應(yīng)用背景,本論文采用吸收光譜和發(fā)射光譜相結(jié)合的測量方法,對雙頻容性耦合CHF3/Ar和CF4/Ar放電體系中,影響等離子體加工工藝的CF2、F、Ar的亞穩(wěn)態(tài)以及電子等活性物種的數(shù)密度以及溫度,開展了較為全面的實驗研究,并且對該體系下相關(guān)自由基的產(chǎn)生和損耗機制,以及中性氣體的加熱和冷卻機制進行了分析。取得的主要結(jié)果如下：1、對雙頻容性耦合CHF3/Ar放電體系的診斷研究。實驗結(jié)果表明,在雙頻放電中,CF2自由基的數(shù)密度隨放電條件的變化趨勢與單高頻放電基本一致,只是在引入低頻功率后其數(shù)密度的絕對值會減小。然而,如果繼續(xù)增加低頻功率時,CF2自由基的數(shù)密度卻基本不變。隨著高頻功率、氣壓以及CHF3含量的升高,CF2自由基的數(shù)密度均呈現(xiàn)先快速增加后緩慢增加的趨勢。隨著放電間隙的增大,CF2自由基的數(shù)密度先增加后緩慢減小,并在放電間隙約為25 mm時出現(xiàn)極大值。另外,F和H原子的相對密度隨上述放電條件的變化與CF2自由基基本相似,但它們在雙頻放電中的密度卻高于單頻放電,這與CF2自由基正好相反。在實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上推斷：在該放電體系下,CF2自由基主要的產(chǎn)生機制是在氣相中的復(fù)合反應(yīng)H+CF3→CF2+HF和CF+CF3→2CF2以及電子碰撞解離反應(yīng)；其主要的損耗機制是在氣相中與H原子復(fù)合,以及擴散并在極板上聚合成膜。對F原子而言,電子碰撞CHF3氣體使其解離是主要的產(chǎn)生機制,同樣氣相反應(yīng)CHF3+F→CF3+HF和H+F→HF以及擴散并吸附在極板上是其主要的損耗途徑。2、對雙頻容性耦合CF4/Ar放電體系的診斷研究。研究發(fā)現(xiàn),CF2自由基與F原子的密度隨高頻功率的變化趨勢與電子密度十分相似,幾乎都呈線性關(guān)系,而且它們在單頻放電下的密度均明顯高于雙頻放電。隨著氣壓的升高,CF2自由基密度呈現(xiàn)先快速增加后緩慢增加的趨勢,這也與F原子類似。經(jīng)過推斷可知在該放電體系中,CF2自由基主要的產(chǎn)生機制是高能電子碰撞解離過程,而其主要的損耗機制是擴散損失。對F原子而言,主要的產(chǎn)生途徑也是電子碰撞CF4分子發(fā)生解離；而主要的損耗機制是擴散吸附在電極上以及在氣相中與CF3自由基的復(fù)合反應(yīng)。分別測量了CF2(X)和CF(B)自由基的轉(zhuǎn)動溫度,并將測量結(jié)果與用Ar的亞穩(wěn)態(tài)原子的多普勒展寬計算所得的氣體溫度作了比較,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)動溫度均高于氣體溫度,即Trot CP(B)Trot CF2(X)Tg。氣體溫度隨高頻功率、低頻功率以及氣壓的增加均呈增加趨勢,而且低頻功率和氣壓對其影響更為明顯。同時推斷在該放電體系內(nèi)中性氣體分子主要的加熱機制包括：1)與離子發(fā)生彈性和非彈性碰撞傳熱；2)與電子發(fā)生碰撞解離；3)與其它中性粒子碰撞進行熱交換。而中性氣體主要的散熱途徑是熱傳導(dǎo)和熱擴散過程。3、對雙頻容性耦合Ar和CF4/Ar放電中,氬的亞穩(wěn)態(tài)原子進行了診斷研究。研究發(fā)現(xiàn)Ar的1s5態(tài)比1s3態(tài)數(shù)密度高約一個數(shù)量級,但二者隨不同放電條件的變化趨勢卻基本一致。它們隨高頻功率的增加均呈現(xiàn)先快速增加后緩慢增加的趨勢；隨氣壓的增加,則呈現(xiàn)出先近乎線性增加后趨于平緩,最后略微降低的趨勢。隨著CF4氣體含量的增加,亞穩(wěn)態(tài)密度有明顯的下降趨勢。另外,從驅(qū)動電極到接地電極,亞穩(wěn)態(tài)數(shù)密度的軸向分布呈現(xiàn)非對稱的拋物線形,峰值偏向驅(qū)動電極處。而且隨著氣壓逐漸升高,峰位置向驅(qū)動電極偏移。最后通過對亞穩(wěn)態(tài)反應(yīng)速率模型的分析發(fā)現(xiàn),其主要是由電子碰撞激發(fā)基態(tài)氬原子產(chǎn)生的。而其損耗機制概括如下：在純Ar放電中,當(dāng)氣壓較低時,亞穩(wěn)態(tài)主要的損失過程是電子猝滅和擴散；在氣壓較高時,電子猝滅過程占據(jù)主導(dǎo)；在CF4/Ar的放電中,尤其是當(dāng)氣壓較高時,CF4對亞穩(wěn)態(tài)的猝滅機制遠大于其它損耗機制。4、對腔增強吸收光譜技術(shù)在等離子體診斷中的應(yīng)用作了初步探索。首先,在可調(diào)諧激光吸收光譜的基礎(chǔ)上,建立了以激光器作光源的腔增強吸收光譜診斷裝置。并對Ar/CF4等離子體中低密度的亞穩(wěn)態(tài)氬原子進行了診斷,發(fā)現(xiàn)其信噪比相比傳統(tǒng)的單光程吸收技術(shù)有了顯著的提高。其次,利用高功率LED燈作為光源,建立了寬帶腔增強吸收光譜診斷裝置,并先后測量了高反鏡的反射率以及痕量N02氣體的濃度。
【關(guān)鍵詞】：雙頻容性耦合等離子體 碳氟氣體 吸收光譜 發(fā)射光譜
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O657.3
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• abstract6-21
• 1 緒論21-48
• 1.1 等離子體概述21-22
• 1.2 低溫等離子體與微電子工業(yè)22-24
• 1.3 微電子工業(yè)中常見的低溫等離子體源24-29
• 1.3.1 單頻容性耦合等離子體源24-26
• 1.3.2 電子回旋共振等離子體源26-27
• 1.3.3 感性耦合等離子體源27-28
• 1.3.4 雙頻容性耦合等離子體源28-29
• 1.4 等離子體研究方法29-37
• 1.4.1 數(shù)值模擬研究30-31
• 1.4.2 實驗診斷研究31-37
• 1.5 雙頻容性耦合等離子體的研究進展37-47
• 1.5.1 雙頻源的獨立控制38-40
• 1.5.2 雙頻容性耦合等離子體的電子加熱機制40-43
• 1.5.3 雙頻容性耦合碳氟等離子體的特性43-45
• 1.5.4 雙頻容性耦合等離子體的氣體溫度45-46
• 1.5.5 研究中存在的問題46-47
• 1.6 本文研究內(nèi)容與安排47-48
• 2 實驗裝置和實驗方法48-61
• 2.1 DF-CCP放電系統(tǒng)48-50
• 2.1.1 放電腔室48-49
• 2.1.2 電路控制系統(tǒng)49
• 2.1.3 氣路控制系統(tǒng)49-50
• 2.2 等離子體診斷系統(tǒng)50-61
• 2.2.1 發(fā)射光譜診斷系統(tǒng)50-51
• 2.2.2 寬帶吸收光譜診斷系統(tǒng)51-56
• 2.2.3 可調(diào)諧激光吸收光譜診斷系統(tǒng)56-58
• 2.2.4 微波共振探針診斷系統(tǒng)58-61
• 3 雙頻容性耦合CHF_3/Ar等離子體的研究61-93
• 3.1 引言61-62
• 3.2 實驗裝置和方法62-79
• 3.2.1 F和H原子相對密度的測量63-67
• 3.2.2 CF_2自由基密度的測量67-70
• 3.2.3 氫原子激發(fā)溫度的測量70-73
• 3.2.4 轉(zhuǎn)動和振動溫度的測量73-79
• 3.3 實驗結(jié)果和討論79-92
• 3.3.1 高頻功率的影響79-80
• 3.3.2 低頻功率的影響80-81
• 3.3.3 氣壓的影響81-82
• 3.3.4 極板間距的影響82-84
• 3.3.5 氣體混合比例的影響84-85
• 3.3.6 CF_2和F自由基的產(chǎn)生和損耗機制85-92
• 3.4 本章小結(jié)92-93
• 4 雙頻容性耦合CF_4/Ar等離子體的研究93-115
• 4.1 引言93-94
• 4.2 實驗裝置和方法94-99
• 4.2.1 F原子相對密度的測量95
• 4.2.2 電子溫度的測量95-96
• 4.2.3 氣體溫度的測量96-99
• 4.3 結(jié)果與討論99-113
• 4.3.1 高頻功率的影響99-101
• 4.3.2 氣壓的影響101-103
• 4.3.3 CF_2和F自由基的產(chǎn)生和損耗機制103-108
• 4.3.4 中性氣體的加熱及冷卻機制108-113
• 4.4 本章小結(jié)113-115
• 5 氬的亞穩(wěn)態(tài)在雙頻容性耦合Ar及CF_4/Ar等離子體中的研究115-137
• 5.1 引言115-116
• 5.2 實驗裝置和方法116-122
• 5.2.1 發(fā)射光譜的分支比法116-119
• 5.2.2 可調(diào)諧激光吸收光譜法119-122
• 5.3 結(jié)果與討論122-136
• 5.3.1 發(fā)射光譜法和吸收光譜法的比較122-125
• 5.3.2 高頻功率的影響125-126
• 5.3.3 氣壓的影響126-127
• 5.3.4 CF_4含量的影響127-128
• 5.3.5 亞穩(wěn)態(tài)的軸向空間分布128-130
• 5.3.6 亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生和損耗機制130-136
• 5.4 本章小結(jié)136-137
• 6 腔增強吸收光譜法對等離子體診斷的探索137-150
• 6.1 引言137-138
• 6.2 腔增強吸收光譜技術(shù)的測量原理138-140
• 6.3 相干光腔增強吸收光譜診斷研究140-144
• 6.3.1 實驗裝置和方法140-142
• 6.3.2 高反鏡反射率的測量142
• 6.3.3 氬的亞穩(wěn)態(tài)數(shù)密度測量142-144
• 6.4 非相干光腔增強吸收光譜診斷研究144-149
• 6.4.1 信噪比增強因子與高反鏡反射率的關(guān)系144-145
• 6.4.2 實驗裝置及測量方法145-149
• 6.5 本章小結(jié)149-150
• 7 結(jié)論與展望150-154
• 7.1 結(jié)論150-152
• 7.2 創(chuàng)新點152
• 7.3 展望152-154
• 參考文獻154-165
• 攻讀博士學(xué)位期間科研項目及科研成果165-166
• 致謝166-167
• 作者簡介167

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本文編號：548262