低温等离子体应用调研报告ECRPlasmaProcessing-1-
电子回旋共振等离子体及其在材料加工中的应用02级近代物理系等离子体谢会乔PB02203013
摘要对ECR等离子体放电原理,特点,参数诊断,以及在薄膜沉积和刻蚀方面的应用做一简要调研.
关键词ECRPlasmafilmetching目录§1引言1§2ECR等离子体概述2§2.1ECR放电原理..........................................2§2.2ECR等离子体源的优点.....................................2
§3ECR等离子体实验参数3§3.1等离子体实验参数.......................................3§3.2利用双探针对射频偏置ECR–PECVD等离子体参数测量.................3§3.2.1实验装置.........................................3§3.2.2实验结果.........................................4§3.3栅网与偏压对ECR等离子体特性影响的测量........................4§3.3.1实验装置.........................................4§3.3.2实验结果.........................................5
§4气体放电等离子体应用简介5§4.1等离子体表面改性.......................................6§4.1.1薄膜沉积.........................................6§4.1.2刻蚀...........................................7§4.2ECR等离子体活化CVD沉积CNxHy薄膜...........................7
§4.3ECRCCl2F2/Ar/O2等离子体放电刻蚀GaAs........................8
§5结论9参考文献9
§1引言20世纪70年代晚期,Suzuki等[1]介绍了电子回旋共振（ElectronCyclotronResonance:ECR）等离子体可以用在硅的亚显微结构刻蚀上.早期实验表明ECR放电可以在中低压强下（10
−4−5×10−3
Torr）
产生高密度等离子体（Ne∼1011−1012/cm−3）,并同时保持较低的等离子体电势.低温等离子体应用调研报告ECRPlasmaProcessing-2-
在这种处理工艺条件下,离子成为重要的一种化学活性粒子组分,此时离子平均自由程大于离子壳层厚度.所以,通过在基板电极上加入独立的射频（RF）偏压,离子速度大小和方向可控,直接通过基片离子壳打在基片上.离子在穿过离子壳层时没有碰撞,以正常方式撞击基片.通过调整微波能量可以控制离子流,通过调整基片电极偏压可以控制轰击能量,因为离子流垂直于基片表面,通过合适地调整阻挡层,可以在基片上实现方向性很好的基片亚显微刻蚀.
上世纪90年代,ECR等离子体工艺技术已经相当成熟.发展了多种ECR等离子体装置和等离子体源设计思想,并在众多低压等离子体工艺中得到应用[2].
§2ECR等离子体概述在实验室中,有很多方法和途径可以产生等离子体,如气体放电、激光压缩、射线辐照及热电离等,但最常见和最主要的还是气体放电法.气体放电可分为电晕放电、辉光放电和电弧放电.辉光放电又可以分为直流辉光放电、射频辉光放电和微波放电.
微波放电是将微波能量转换为气体分子的内能,使之激发、电离以产生等离子体的一种放电方式.这种放电虽然与射频放电有许多相似之处,但能量的传输方式却不相同.在微波放电中,通常采用波导管或天线将由微波电源产生的微波耦合到放电管内,放电气体存在的少量初始电子被微波电场加速后,与气体分子发生非弹性碰撞并使之电离.若微波的输出的功率适当,便可以使气体击穿,实现持续放电.
电子回旋共振的诞生和发展直接来源于高功率微波源的实现.
§2.1ECR放电原理图1为微波ECR等离子体放电装置示意图,这种放电装置分为两部分,即放电室和工作室.在放电
图1:微波ECR等离子体放电装置室中,工作气体中的初始电子在由电流线圈产生的稳恒磁场的作用下,绕磁力线做回旋运动.电子的回旋频率为ωce=eBme.(1)
其中,B为磁感应强度,e为电子电量,me为电子质量.通过通过适当地调整磁场的空间分布,使得电子回旋频率在沿放电室的轴向上某一位置与微波的圆频率ω一致,那么就会产生共振现象,称为电子回旋共振.对于这种类型的放电装置,微波的频率一般为2.45GHz,那么发生共振的磁感应强度为875高斯.实际上,磁场沿着轴线是发散的.借助于发散磁场的梯度,可以将放电室中产生的等离子体输送到工作室中以供使用[2].
§2.2ECR等离子体源的优点使用ECR等离子体源有很多显著优点,可以在较低气压下产生比较高密度的等离子体;由于气压较低,离子和活性粒子的平均自由程较长;等离子体电势较低;不需要放置在等离子体内电极,从而不会低温等离子体应用调研报告ECRPlasmaProcessing-3-
产生电极蒸发污染.
在等离子体刻蚀和沉积方面,由于产生的等离子体电离率高,密度高,无电极污染,并具有丰富的高能电子与紫外光子,对刻蚀和沉积有很好的作用.离子可以不经过碰撞而达到基片上,可以保持很好的方向性,离子流和离子能量可以独立控制,这些特点对刻蚀工艺极为有利.在ECR–PECVD装置中可以对基片施加射频偏压来独立地控制轰击基片的离子能量,以进一步提高和改善薄膜的性能[2,3].
§3ECR等离子体实验参数等离子体工艺中对各参数的诊断及测量,有助于进行等离子体物理研究,诊断技术的发展,以及对工艺参数的改进有很重要的作用.
§3.1等离子体实验参数对低温等离子体实验参数的测量,可分为三种参数的测量:
1.对所处理材料的测量及其性质评估,包括刻蚀速率,刻蚀各项异性,沉积速率,沉积膜质量等.手段主要有X射线衍射,SEM,STM,AFM等.
2.对等离子体产生控制参数的测量,包括电流,偏压,微波功率,微波频率,气压等.其主要测量手段都有相应的仪器来进行测量,例如气压可以使用真空规管来测量,放电电流使用通常的电流计即可.
3.等离子体本身参数的诊断,包括等离子体密度,等离子体电子、离子温度等,可以使用探针诊断法,离子能量分析器,光谱诊断法,质谱诊断法,微波干涉诊断法等.另外,对于等离子体中粒子种类及其组分的测量诊断也可使用例如光谱诊断法,质谱诊断法等.
下面以射频偏置ECR–PECVD等离子体参数测量[3]和栅网与偏压对CHF3电子回旋共振放电等离子体特性的影响[4]两个实验来简要说明对ECR等离子体工艺中参数的测量,及最佳参数的选择.
§3.2利用双探针对射频偏置ECR–PECVD等离子体参数测量微波电子回旋共振等离子体增强气相沉积（ECR–PECVD）装置被广泛地应用于微电子、光学、平面显示和太阳能电池等领域的高性能薄膜的沉积.对基片附近的等离子体参数和离子行为参数的研究是了解离子对基片轰击的一种有效方法.从这些参数中可以得到通过等离子体鞘层的离子轰击能量和离子流密度等,而离子能量和离子流密度被认为是对薄膜沉积中影响薄膜性能最重要的参数.
§3.2.1实验装置图2为基片射频偏置ECR–PECVD装置图,主要由真空系统、进气系统、微波系统、励磁系统、反应室、沉积室和射频基片架组成.实验中均使用Ar气作为工作气体.
图2:ECR–PECVD及测量装置示意图1–反应室;2–励磁系统;3–微波源;4–真空系统;5–进气系统;6–基片架;7–双探针;8–射频电源;9–沉积室.低温等离子体应用调研报告ECRPlasmaProcessing-4-
由于装置中有磁场存在,所以采用双探针测量.双探针由两个表面积相同的探针组成,悬浮于等离子体中,工作电压加在两探针之间,测量工作电流ID随两探针之间电压VD的变化,就得到双探针的伏安特性曲线.当两探针完全相同时,Ii01=Ii02=Ii0,同时令ID=0,则可求得电子温度kTe的计算公式:
kTee=Ii0
2dID
dVD
ID=0
.(2)
知道电子温度Te后,可以由正离子饱和电流Ii0和电子温度、电子密度的关系求出电子密度n
e,
从而
求得等离子体密度n
0:
ne≈ni≈n0=Ii00.61eAskTemi1/2,(3)
式中,Ii0为离子饱和流;mi为离子质量;As为探针表面积.
由于影响薄膜性能的区域是基片附近的等离子体鞘层,因此探针安装在基片架上(如图2所示)来测量基片表面的等离子体参数,两个测量探针的材料为钨丝.
§3.2.2实验结果实验结果表明,较小的射频功率不足以影响ECR等离子体密度,等离子体密度主要由微波ECR功率所决定;基片射频偏置对电子温度有明显的影响,射频功率的增加将导致电子温度的上升.
另外,在射频偏置下,微波功率、励磁电流和工作气压对等离子体参数的影响研究表明:在微波功率为400W,励磁电流为140A和工作气压约为1.2×10
−1
Pa时,等离子体密度和电子温度最高.
§3.3栅网与偏压对ECR等离子体特性影响的测量在ECR–PECVD技术沉积薄膜过程中,为了获得最佳的等离子体状态改善薄膜的结构和物性人们较多研究了宏观条件对放电等离子体特性的影响,如ECR–PECVD中微波功率、气压对等离子体特性的影响.同时,人们也采用特殊的技术来控制等离子体特性,如脉冲ECR放电技术,即利用脉冲施加和去除之间的差异获得不同的基团分布状态.但是在这些过程中,等离子体中的基团种类与密度分布较难控制.
为了提高薄膜质量,在ECR–PECVD系统中通过增加栅网来控制离子能量和基团分布,或者以栅网材料作为掺杂元素来改变薄膜的性能,是ECR–PECVD技术中的重要发展,对栅网的增加对等离子体特性影响的深入研究是很有必要的.
§3.3.1实验装置实验中使用永磁多极场型微波ECR–PECVD系统产生等离子体,实验装置如图3所示.微波源输出功率在300–1000W之间连续可调.CHF3工作气体的流量为3sccm.
图3:栅网与偏压对ECR–PECVD等离子体特性影响