甚高频激发甚高频激发容性耦合等离子体的放电特性容性耦合等离子体的放电特性

辛 煜，孙 恺，宁兆元

薄膜材料江苏身重点实验室

苏州大学，苏州 215006

2007-08-20

1、引言

2、容性耦合等离子体实验装置

3、甚高频耦合放电的外部电学测量

4、甚高频耦合放电的内部电学测量

11、引言、引言

超细线宽尺寸的介质刻蚀需要等离子体密度和离子轰击能量的独立控制，

从而提供较宽的表面刻蚀工艺窗口。

双频容性耦合等离子体源是一个重要的解决方案，

甚高频电源产生高密度等离子体， ，即控制等离子体通量，

低频电源控制离子轰击基片表面的能量，两种频率可以同时或分别施加

在电极板上。

正是由于双频容性等离子体丰富的物理特性，人们使用数值模拟与分析方法

来揭示频率影响、等离子体电子加热机理以及等离子体的鞘层特性等。

2rfen

1 、 M. M. Turner 等人显示了低频电流对鞘层区的空间结构的影响，尤其是无碰撞和欧姆加热机制的增强；

2 、 H. C. Kim 等人引入了有效参量（如有效频率、有效电流和电压），

采用单频等离子体的均匀模型来描述等离子体放电特性；

3 、 H. C. Kim 等人使用粒子 -MC 模型显示了低频电流的改变是电子加热模式转变的原因；

4 、 Boyle 等人采用碰撞模型研究了与时间相关的鞘层特性；

5 、 Z. L. Dai 等人采用了自恰的混合流体模型研究了双射频碰撞鞘层的时空特征；

除了数值模拟方法表征（双频）容性耦合等离子体特性外，由于技术改进，朗谬尔探针技术也常用

于等离子体的诊断测量。例如：

1 、 A Godvak 等人显示气压变化导致的电子能量分布函数模式的转变；

2 、 Buddemeier 等人显示了射频电流变化导致的 EEPF 的模式转变；

3 、 Fattah 等人观察到了电子能量几率分布函数由低频下的 D 氏分布向高频下的双温麦氏分布转变；

4 、 S. J. You 等人发现了电子加热模式转变气压随激发频率的增加而下降的现象；

有资料显示，两种激发频率的频率比越大，离子通量和能量的功能分离的可能性就越大，

两者之间的解耦可能性就越大；已投入应用的双频 CCP 中，频率组合是 27MHz/2MHz ，和 60MHz/2MHz ，

尽管两种频率组合的数值计算与模拟的结果较多，但实验方面的研究还不多见。

本文中，我们的研究工作集中在 60MHz 所激发的等离子体的内部和外部电学参量的测量与分析。

22、容性耦合等离子体实验装置、容性耦合等离子体实验装置

60MHz 射频率： Comdel 500W ，自动匹配

高压探针：测量功率电极上的射频电压

电流探针：测量功率电极上的射频电流

以及两探针信号的位相

朗谬尔探针：测量所激发等离子体的内部电学参量， eepf 等

发射光谱：监测等离子体的发光基团与强度

33、甚高频耦合放电的外部电学测量、甚高频耦合放电的外部电学测量

高压探针和电流探针的典型信号 电流和电压信号的傅立叶变换

高次谐波信号强度小于 10％，

下指的位相是电流电压基波信号的位相差（考虑了测量传输线的时间延迟）

▲ 外部电学参量随射频输入功率的变化 （ Argon, p=2.0Pa )

R

C

plasma

reflectedforwardtotal

T

abs

PPP

dttItUT

P

0 )()(1

Homogeneous plasma is assumed.

44、甚高频耦合放电的内部电学测量、甚高频耦合放电的内部电学测量

Hiden－ Langmuir 探针测量等离子体的 I－ V 特性曲线

2

2

3

2/1)8()(

dV

Id

Ae

mEf e

0

2/1 )( dEEfEne

0

2/3 )(3

2dEEfE

nkT

ee

电子能量几率分布函数（ EEPF ）经历了一些演变：

低气压下的双温或三温麦氏分布 (<2.0Pa)

中等气压下的单温麦氏分布 (2-4Pa ）

高气压下的 Druyvesteyn 分布（ >4Pa)

低气压下，低能电子的双极扩散场的局域，

高能电子与振荡鞘层的作用

高气压下，电子与中性粒子的碰撞，

电子与电子的库仑碰撞，

Ramsauerx 效应

eepf 的演变也是电子的加热模式 ( 无碰撞随机

加热和欧姆加热）发生改变的原因。

shen L

EEPF随气压的变化：

20

20

22/1)(3.3

Jn

dnTem

P

P mseee

stoch

Ohmic

Input power :50W

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.00.0

0.5

1.0

1.5

2.0

P oh

mic/P

stoc

h

Pressure ( Pa )

EEPF随功率的变化：

低功率下的双麦氏分布转变为

高功率下有平台漂移的非麦氏分布

低能侧平台形成机制：

双极场中的低能电子与弱场的共振加热

引起的电子群数目的下降；

中能侧平台以及随功率漂移的可能原因：

1 ）随机化中能电子克服双极场与振荡鞘层

的加热

2 ）电子与鞘层的无碰撞功率吸收与电子的动能、

鞘层电位、鞘层速度等有关。

......3,2,1,2/ nn