双频容性耦合碳氟等离子体的光学诊断研究

发布时间：2017-07-16 10:23

  本文关键词：双频容性耦合碳氟等离子体的光学诊断研究

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【摘要】：双频容性耦合等离子体源(Dual Frequency Capacitively Coupled Plasma, DF-CCP)不但能够产生大面积均匀的等离子体,而且能够独立地控制等离子体密度以及轰击到极板上的离子能量,因此已被广泛地应用到半导体制造工艺中。近年来,随着微电子工业的迅速发展,半导体器件特征尺寸的不断缩减,工业上对等离子体的加工工艺也提出了更高的要求。不仅要求通过改变等离子体外部放电条件,实现对等离子体内部状态参数更为有效的控制,而且需要进一步揭示等离子体内部微观的物理过程和化学反应机理,从而为DF-CCP源的优化提供有价值的参考。目前,碳氟等离子体因为能够产生大量与Si及SiO2反应的活性自由基,在刻蚀和薄膜沉积工艺中应用最为广泛。基于上述应用背景,本论文采用吸收光谱和发射光谱相结合的测量方法,对双频容性耦合CHF3/Ar和CF4/Ar放电体系中,影响等离子体加工工艺的CF2、F、Ar的亚稳态以及电子等活性物种的数密度以及温度,开展了较为全面的实验研究,并且对该体系下相关自由基的产生和损耗机制,以及中性气体的加热和冷却机制进行了分析。取得的主要结果如下：1、对双频容性耦合CHF3/Ar放电体系的诊断研究。实验结果表明,在双频放电中,CF2自由基的数密度随放电条件的变化趋势与单高频放电基本一致,只是在引入低频功率后其数密度的绝对值会减小。然而,如果继续增加低频功率时,CF2自由基的数密度却基本不变。随着高频功率、气压以及CHF3含量的升高,CF2自由基的数密度均呈现先快速增加后缓慢增加的趋势。随着放电间隙的增大,CF2自由基的数密度先增加后缓慢减小,并在放电间隙约为25 mm时出现极大值。另外,F和H原子的相对密度随上述放电条件的变化与CF2自由基基本相似,但它们在双频放电中的密度却高于单频放电,这与CF2自由基正好相反。在实验结果的基础上推断：在该放电体系下,CF2自由基主要的产生机制是在气相中的复合反应H+CF3→CF2+HF和CF+CF3→2CF2以及电子碰撞解离反应；其主要的损耗机制是在气相中与H原子复合,以及扩散并在极板上聚合成膜。对F原子而言,电子碰撞CHF3气体使其解离是主要的产生机制,同样气相反应CHF3+F→CF3+HF和H+F→HF以及扩散并吸附在极板上是其主要的损耗途径。2、对双频容性耦合CF4/Ar放电体系的诊断研究。研究发现,CF2自由基与F原子的密度随高频功率的变化趋势与电子密度十分相似,几乎都呈线性关系,而且它们在单频放电下的密度均明显高于双频放电。随着气压的升高,CF2自由基密度呈现先快速增加后缓慢增加的趋势,这也与F原子类似。经过推断可知在该放电体系中,CF2自由基主要的产生机制是高能电子碰撞解离过程,而其主要的损耗机制是扩散损失。对F原子而言,主要的产生途径也是电子碰撞CF4分子发生解离；而主要的损耗机制是扩散吸附在电极上以及在气相中与CF3自由基的复合反应。分别测量了CF2(X)和CF(B)自由基的转动温度,并将测量结果与用Ar的亚稳态原子的多普勒展宽计算所得的气体温度作了比较,发现转动温度均高于气体温度,即Trot CP(B)Trot CF2(X)Tg。气体温度随高频功率、低频功率以及气压的增加均呈增加趋势,而且低频功率和气压对其影响更为明显。同时推断在该放电体系内中性气体分子主要的加热机制包括：1)与离子发生弹性和非弹性碰撞传热；2)与电子发生碰撞解离；3)与其它中性粒子碰撞进行热交换。而中性气体主要的散热途径是热传导和热扩散过程。3、对双频容性耦合Ar和CF4/Ar放电中,氩的亚稳态原子进行了诊断研究。研究发现Ar的1s5态比1s3态数密度高约一个数量级,但二者随不同放电条件的变化趋势却基本一致。它们随高频功率的增加均呈现先快速增加后缓慢增加的趋势；随气压的增加,则呈现出先近乎线性增加后趋于平缓,最后略微降低的趋势。随着CF4气体含量的增加,亚稳态密度有明显的下降趋势。另外,从驱动电极到接地电极,亚稳态数密度的轴向分布呈现非对称的抛物线形,峰值偏向驱动电极处。而且随着气压逐渐升高,峰位置向驱动电极偏移。最后通过对亚稳态反应速率模型的分析发现,其主要是由电子碰撞激发基态氩原子产生的。而其损耗机制概括如下：在纯Ar放电中,当气压较低时,亚稳态主要的损失过程是电子猝灭和扩散；在气压较高时,电子猝灭过程占据主导；在CF4/Ar的放电中,尤其是当气压较高时,CF4对亚稳态的猝灭机制远大于其它损耗机制。4、对腔增强吸收光谱技术在等离子体诊断中的应用作了初步探索。首先,在可调谐激光吸收光谱的基础上,建立了以激光器作光源的腔增强吸收光谱诊断装置。并对Ar/CF4等离子体中低密度的亚稳态氩原子进行了诊断,发现其信噪比相比传统的单光程吸收技术有了显著的提高。其次,利用高功率LED灯作为光源,建立了宽带腔增强吸收光谱诊断装置,并先后测量了高反镜的反射率以及痕量N02气体的浓度。
【关键词】：双频容性耦合等离子体 碳氟气体 吸收光谱 发射光谱
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O657.3
【目录】：

• 中文摘要4-6
• abstract6-21
• 1 绪论21-48
• 1.1 等离子体概述21-22
• 1.2 低温等离子体与微电子工业22-24
• 1.3 微电子工业中常见的低温等离子体源24-29
• 1.3.1 单频容性耦合等离子体源24-26
• 1.3.2 电子回旋共振等离子体源26-27
• 1.3.3 感性耦合等离子体源27-28
• 1.3.4 双频容性耦合等离子体源28-29
• 1.4 等离子体研究方法29-37
• 1.4.1 数值模拟研究30-31
• 1.4.2 实验诊断研究31-37
• 1.5 双频容性耦合等离子体的研究进展37-47
• 1.5.1 双频源的独立控制38-40
• 1.5.2 双频容性耦合等离子体的电子加热机制40-43
• 1.5.3 双频容性耦合碳氟等离子体的特性43-45
• 1.5.4 双频容性耦合等离子体的气体温度45-46
• 1.5.5 研究中存在的问题46-47
• 1.6 本文研究内容与安排47-48
• 2 实验装置和实验方法48-61
• 2.1 DF-CCP放电系统48-50
• 2.1.1 放电腔室48-49
• 2.1.2 电路控制系统49
• 2.1.3 气路控制系统49-50
• 2.2 等离子体诊断系统50-61
• 2.2.1 发射光谱诊断系统50-51
• 2.2.2 宽带吸收光谱诊断系统51-56
• 2.2.3 可调谐激光吸收光谱诊断系统56-58
• 2.2.4 微波共振探针诊断系统58-61
• 3 双频容性耦合CHF_3/Ar等离子体的研究61-93
• 3.1 引言61-62
• 3.2 实验装置和方法62-79
• 3.2.1 F和H原子相对密度的测量63-67
• 3.2.2 CF_2自由基密度的测量67-70
• 3.2.3 氢原子激发温度的测量70-73
• 3.2.4 转动和振动温度的测量73-79
• 3.3 实验结果和讨论79-92
• 3.3.1 高频功率的影响79-80
• 3.3.2 低频功率的影响80-81
• 3.3.3 气压的影响81-82
• 3.3.4 极板间距的影响82-84
• 3.3.5 气体混合比例的影响84-85
• 3.3.6 CF_2和F自由基的产生和损耗机制85-92
• 3.4 本章小结92-93
• 4 双频容性耦合CF_4/Ar等离子体的研究93-115
• 4.1 引言93-94
• 4.2 实验装置和方法94-99
• 4.2.1 F原子相对密度的测量95
• 4.2.2 电子温度的测量95-96
• 4.2.3 气体温度的测量96-99
• 4.3 结果与讨论99-113
• 4.3.1 高频功率的影响99-101
• 4.3.2 气压的影响101-103
• 4.3.3 CF_2和F自由基的产生和损耗机制103-108
• 4.3.4 中性气体的加热及冷却机制108-113
• 4.4 本章小结113-115
• 5 氩的亚稳态在双频容性耦合Ar及CF_4/Ar等离子体中的研究115-137
• 5.1 引言115-116
• 5.2 实验装置和方法116-122
• 5.2.1 发射光谱的分支比法116-119
• 5.2.2 可调谐激光吸收光谱法119-122
• 5.3 结果与讨论122-136
• 5.3.1 发射光谱法和吸收光谱法的比较122-125
• 5.3.2 高频功率的影响125-126
• 5.3.3 气压的影响126-127
• 5.3.4 CF_4含量的影响127-128
• 5.3.5 亚稳态的轴向空间分布128-130
• 5.3.6 亚稳态的产生和损耗机制130-136
• 5.4 本章小结136-137
• 6 腔增强吸收光谱法对等离子体诊断的探索137-150
• 6.1 引言137-138
• 6.2 腔增强吸收光谱技术的测量原理138-140
• 6.3 相干光腔增强吸收光谱诊断研究140-144
• 6.3.1 实验装置和方法140-142
• 6.3.2 高反镜反射率的测量142
• 6.3.3 氩的亚稳态数密度测量142-144
• 6.4 非相干光腔增强吸收光谱诊断研究144-149
• 6.4.1 信噪比增强因子与高反镜反射率的关系144-145
• 6.4.2 实验装置及测量方法145-149
• 6.5 本章小结149-150
• 7 结论与展望150-154
• 7.1 结论150-152
• 7.2 创新点152
• 7.3 展望152-154
• 参考文献154-165
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果165-166
• 致谢166-167
• 作者简介167

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本文编号：548262