甚高频容性放电中电磁效应与等离子体均匀性研究

论文摘要

由于容性耦合等离子体（CCP）具有诸多独特的优势,因此被广泛应用于半导体工业中的介质层刻蚀与薄膜沉积工艺。特别地,双频或多频电源驱动放电已被证实是一种实现离子通量和离子轰击能量独立控制的有效方法。其中,高频电源用来控制离子通量,而低频电源用来控制离子轰击能量。近年来,大面积甚高频CCP在半导体工艺中备受青睐。一方面,随着晶圆尺寸的日趋增大,需要采用更大的放电腔室;另一方面,更高的激励频率可以产生更低的离子轰击能量,可以降低对基片造成的损伤。然而,当放电腔室的尺寸与等离子体中电磁波的波长相当时,驻波效应将开始主导放电并破坏等离子体的均匀性,严重限制了大面积腔室和高频电源的使用。为此,非常有必要对驻波效应的物理本质进行深入的研究。本文利用多种方法对单频和双频容性放电中的驻波效应开展了研究:（1）采用全悬浮双探针测量正离子密度的径向分布;（2）采用微波共振探针测量电子密度的径向分布;（3）采用相分辨发射光谱研究射频周期内高能电子的时空动力学;（4）采用高频磁探针测量谐波磁场的空间结构;（5）采用非线性电磁模型揭示等离子体串联共振与空间波共振相互耦合的物理机制。本文研究目的在于进一步探索驻波效应的物理本质,并为大面积甚高频容性放电中的等离子体均匀性优化提供参考。本文具体内容安排如下。在第一章中,首先介绍了低温等离子体的研究背景及半导体工业中几种常用的低温等离子体源。然后,综述了电磁效应及等离子体均匀性优化方案的研究进展。最后,总结了当前研究中存在的一些重要问题。在第二章中,首先介绍了本文所采用的实验装置,然后介绍了常用的几种等离子体诊断方法,如Langmuir探针、微波共振探针、磁探针、相分辨发射光谱等。在第三章中,研制了两种具有较高信噪比的磁探针:一种为可调谐补偿型射频磁探针,另一种为高频差分磁探针。可调谐补偿型射频磁探针的电路主要由串联谐振电路与中心抽头变压器耦合而成。利用差模信号与共模信号的等效电路模型,本文计算了磁探针的输出特性。此外,还采用亥姆霍兹线圈和法拉第杯分别对模型的计算结果进行了实验验证。结果表明,通过调节电路中的两个可变电容,磁探针的磁感应信号可以得到放大,同时容性干扰信号可以得到有效抑制,最终实现了更高的探针信噪比。高频差分磁探针由半钢线制作而成。基于探针本身的电路对称性,并利用在线差分技术可以有效抑制探针的容性干扰信号,最终得到较高的探针信噪比。本文还开发了一个可视化用户界面软件,用于实时地对磁探针进行数据采集与处理。为了验证两种磁探针的性能,分别将其放在CCP腔室中进行了测试,实验结果表明利用它们进行磁场测量均是可靠的。在第四章中,为了抑制驻波效应并提高等离子体的均匀性,在甚高频（100 MHz）容性耦合氩等离子体中引入一个低频（2～8MHz）功率源,采用微波共振探针研究了低频源参数对等离子体密度径向分布的影响。实验结果表明,在不同的气压或电极驱动方式（情形Ⅰ和情形Ⅱ）条件下,等离子体密度随低频电压么和低频频率fL的变化呈现出不同的趋势。（1）在较低气压条件下（如8 Pa）,在情形Ⅰ中（高、低频电源施加于同一电极）,当φL较高或fL较低时,由于低频源对高频鞘层振荡的调制作用较强,高频鞘层加热被极大地削弱,使得甚高频放电中的驻波效应得到有效抑制。相比而言,在情形Ⅱ中（高、低频电源施加于不同电极）,φL和fL对驻波效应的抑制作用很弱。（2）在较高气压条件下（如20Pa）,结果正好相反。实验发现,与情形Ⅰ相比,在情形Ⅱ中φL和fL对等离子体径向形貌的影响更加显著。在情形Ⅱ中,随着φL的增加,驻波效应逐渐得到增强;然而,驻波效应引起的等离子体密度的“中心峰”分布可以通过增加fL而逐渐增强的静电边缘效应来补偿。相比而言,在情形Ⅰ中,φL和fL对等离子体密度径向形貌的影响很微弱。为了理解不同情形下φL和fL对等离子体密度径向分布的影响,还采用相分辨发射光谱方法分析了高能电子的激发动力学。在第五章中,采用全悬浮双探针对单频和双频甚高频容性耦合氩气放电中等离子体的径向均匀性开展了实验研究。实验结果表明,当气压较低时,在单频90 MHz放电中等离子体密度径向形貌呈现抛物线分布,而在单频180 MHz放电中转变为“双峰”分布,均表现出较差的等离子体均匀性。相比而言,当放电由双频（180 MHz+90 MHz）驱动时,双频电源参数均会对等离子体密度的径向形貌产生重要的影响。为实现更好的等离子体均匀性,需考虑驻波效应和边缘场效应之间的平衡关系。其中,驻波效应将导致等离子体密度在电极中心处出现最大值,而边缘场效应将导致密度在电极边缘处出现最大值。这种平衡关系可以通过调节双频电源的电压幅值比β或选择合适的气压来控制。在第六章中,利用实验和模拟相结合的方法研究了甚高频容性耦合氩等离子体中由等离子体串联共振增强的谐波而激发的非线性驻波,并首次利用磁探针在实验上观察到由高次谐波引起的驻波效应。为了研究高次谐波激发对等离子体均匀性的影响,实验中采用高频磁探针对谐波磁场的空间分布进行测量,并结合全悬浮双探针来测量等离子体密度的径向分布。实验测量的结果还用于对非线性电磁模型进行验证,通过该模型的计算结果可以揭示非线性驻波形成的深层次物理机制。结果表明,在气压较低条件下,鞘层的非线性运动会激发高次谐波,这些谐波在等离子体串联共振频率附近得到增强。在特定的放电条件下,这些非线性谐波将会诱导径向驻波,导致放电电压及放电电流在极板中心处出现最大值,进而造成等离子体密度的“中心峰”分布。然而,随着气压的升高,高次谐波激发逐渐受到抑制,等离子体均匀性得到改善。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 赵凯

导师: 王友年,Demetre J.Economou

关键词: 容性耦合等离子体,甚高频,均匀性,等离子体串联共振,非线性驻波

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学,物理学

单位: 大连理工大学

基金: 国家自然科学基金(11335004,11405018和11722541)

分类号: O53;O441

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.004281

总页数: 160

文件大小: 12287K

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