脉冲调制射频感性耦合Ar/O2及Ar等离子体的实验诊断研究

论文摘要

随着半导体技术的飞速发展,半导体器件的特征尺寸变得越来越小,集成电路的结构也变得越来越复杂。因此,在半导体芯片生产过程中,起关键作用的等离子体刻蚀技术需要进行更加精确的控制,以期达到小于5 nm特征线宽的刻蚀。然而,等离子体刻蚀工艺带来的难题也亟需解决,如电荷积累效应造成的旁刻等。为此,人们提出了脉冲调制射频感性耦合等离子体。这是因为在脉冲调制射频感性耦合放电条件下,在脉冲关闭阶段,基片台上方的鞘层坍塌,负离子能够运动到基片表面,中和刻蚀沟槽底部积累的正电荷,从而能够减弱电荷积累效应,降低异常刻蚀。此外,脉冲调制射频感性耦合等离子体不仅能够提供脉冲频率和脉冲占空比这两个新的可控参数,还能够灵活控制等离子体中的电子密度、电子温度、活性基团数密度、离子能量以及离子通量等,进而提高等离子体刻蚀的选择性、刻蚀速率、刻蚀均匀性等。尽管脉冲调制射频感性耦合等离子体具有很多优势,但其内在物理化学机制也变得更为复杂,特别是对于等离子体刻蚀工艺中使用的电负性气体（O2、CxFy、SF6、C12、HBr等）放电。在工业上,为了精确控制等离子体刻蚀工艺的性能,需要充分理解脉冲调制射频感性耦合等离子体的特性。因此,本文利用Langmuir探针、VI Probe、相分辨发射光谱、减速场离子能量分析仪等实验诊断手段,详细研究了脉冲调制射频感性耦合Ar/O2及Ar等离子体,并对实验结果及其内在物理机制进行了讨论和分析。第一章,首先,对射频感性耦合等离子体进行了概述;其次,详细介绍了脉冲调制射频感性耦合等离子体,综述了脉冲调制射频感性耦合等离子体的研究进展以及目前研究中存在的问题;最后,给出了本文的研究内容及安排。第二章,对实验装置进行了详细的介绍,并着重描述了实验过程中用到的诊断手段,包括Langmuir探针、减速场离子能量分析仪、相分辨发射光谱、VI Probe、高压探头,并对诊断原理进行了介绍。第三章,利用Langmuir探针并结合整体模型,对比研究了脉冲调制射频感性耦合Ar/O2等离子体中,不同外界放电条件下,电子密度和有效电子温度随时间的演化。研究发现,在脉冲关闭瞬间,电子密度和有效电子温度均呈现一个峰,这主要是由匹配网络释放能量所致。第四章,在分子气体放电的射频感性耦合等离子体中,单个射频周期内,在E（单峰）模式和H（双峰）模式放电条件下,高能电子激发速率/等离子体发光强度随时间演化的峰值数目是不同的。利用这一现象,运用相分辨发射光谱,研究了脉冲调制射频感性耦合Ar/O2等离子体中,脉冲初期E-H模式转换时刻的演化。研究发现,当脉冲占空比和放电气压增加时,模式转换时刻是增加的,而当射频源功率增加时,模式转换时刻是减少的。除此之外,还研究了整个脉冲周期内,特别是脉冲稳定期,射频周期分辨（纳秒量级）的高能电子激发行为。研究发现,在脉冲稳定期（H模式）,当放电气压增加时,高能电子激发速率的最大值先增加后减小,且其随时间演化的双峰结构变得更加明显,轴向分布逐渐局域到介质窗附近。第五章,利用减速场离子能量分析仪,详细研究了不同外界放电条件下,连续波及同步脉冲调制射频感性耦合Ar等离子体中,射频相位偏移（即射频源功率的射频信号与射频偏压的射频信号之间的相位差）对偏压电极上离子能量分布的影响。研究发现,当射频相位偏移θ从0增加至π时,离子能量分布从高能区向低能区移动,且其能峰宽度变窄。第六章,对本论文进行了总结,并给出了论文的创新点以及工作展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 1 绪论
•   1.1 射频感性耦合等离子体概述
•   1.2 脉冲调制射频感性耦合等离子体概述
•   1.3 脉冲调制射频感性耦合等离子体特性的研究进展
•     1.3.1 电子密度/电子温度/EEPF等放电参数随时间的演化
•     1.3.2 离子密度/离子通量/IED等放电参数随时间的演化
•     1.3.3 中性粒子密度随时间的演化
•   1.4 目前研究中存在的问题
•   1.5 本论文的研究内容及安排
• 2 实验装置及诊断方法
•   2.1 引言
•   2.2 实验装置
•   2.3 实验诊断方法
•     2.3.1 Langmuir探针
•     2.3.2 减速场离子能量分析仪
•     2.3.3 相分辨发射光谱
•     2.3.4 VI Probe
•     2.3.5 高压探头
•   2.4 本章小结
• 3 等离子体状态参数的实验和模拟研究
•   3.1 引言
•   3.2 整体模型介绍
•   3.3 结果及讨论
•     3.3.1 氧含量对等离子体状态参数的影响
•     3.3.2 放电气压对等离子体状态参数的影响
•     3.3.3 射频源功率对等离子体状态参数的影响
•     3.3.4 脉冲占空比对等离子体状态参数的影响
•     3.3.5 脉冲频率对等离子体状态参数的影响
•   3.4 本章小结
• 4 高能电子激发行为的实验诊断研究
•   4.1 引言
•   4.2 脉冲初期E-H模式转换时刻的实验结果及讨论
•   4.3 整个脉冲周期以及脉冲稳定期高能电子激发行为的实验结果及讨论
•     4.3.1 脉冲占空比的影响
•     4.3.2 放电气压的影响
•     4.3.3 氧含量的影响
•     4.3.4 射频源功率的影响
•     4.3.5 脉冲频率的影响
•   4.4 本章小结
• 5 射频相位偏移对偏压电极上离子能量分布的影响
•   5.1 引言
•   5.2 射频相位偏移对离子能量分布的影响
•     5.2.1 射频相位偏移
•     5.2.2 连续波射频感性耦合Ar放电
•     5.2.3 同步脉冲调制射频感性耦合Ar放电
•   5.3 射频相位偏移对不同放电条件下离子能量分布的影响
•     5.3.1 不同射频偏压放电
•     5.3.2 不同射频源功率放电
•     5.3.3 不同放电气压放电
•   5.4 本章小结
• 6 结论与展望
•   6.1 结论
•   6.2 创新点
•   6.3 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 薛婵

导师: 王友年

关键词: 实验诊断,电子密度,高能电子激发速率,离子能量分布

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 大连理工大学

基金: 国家自然科学基金,国家科技部基金

分类号: O53;TN305

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.003618

总页数: 126

文件大小: 9591K

下载量: 36