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双频容性耦合等离子体特性的发射光谱研究

黄晓江  
【摘要】: 双频容性耦合等离子体(dual frequency capacitively coupled plasma DF-CCP)是近年来发展起来的一种新型的等离子体源。由于其采用了一个高频电源和一个低频电源共同驱动等离子体,可以实现相对独立的控制到达基片上离子的通量和能量,因而可能在纳米线宽电子器件的刻蚀加工中得到应用。关于它的特性的研究是当前低温等离子体学术界的一个热点。 本文主要采用发射光谱诊断方法,研究了双频容性耦合氮等离子体中氮分子及离子的转动和振动温度,氩等离子体的空间均匀性,以及CHF3等离子体中活性基团成分随等离子体参量变化的特性。它们是: (1)采用光谱拟合求解转动和振动温度的方法,研究了单射频放电中激发频率对氮等离子体中氮分子N_2和离子N_2~+转动温度及振动温度的影响。 发现氮分子转动温度在激发频率为13MHz时有最小值,这是由于分子的加热模式发生了转变的缘故,即由离子诱导为主的加热模式转变为由电子诱导为主的加热模式引起的。另一方面,随着激发频率从2MHz增加到13MHz,氮离子的转动温度从550K下降到350K,之后基本保持不变。在低频放电时离子的转动温度明显高于分子的转动温度。这些都是由于低频电场对离子比对分子的加热更有效,以及存在对离子的共振加热所引起的。 实验中发现,氮分子和离子的振动温度随频率的增加呈直线上升,但当频率超过23MHz后,氮分子振动温度的增长趋势明显减缓,在低功率下甚至出现下降,而氮离子振动温度的下降更大。同时还发现,氮分子振动温度的最大值所对应的放电气压也随激发频率的上升而下降。这些现象都是由于激发频率上升引起等离子体中电子密度上升而电子温度下降,进而导致振动激发主要由电子密度向电子温度起主要影响转变而产生的。 (2)进而研究了双射频容性耦合氮等离子体中高频功率、低频功率和气压对氮分子和离子转动温度及振动温度的影响。 在双射频(41MHz/2MHz)驱动的氮等离子体放电中,氮离子转动温度随低频功率的增长率比氮分子的大,这是因为氮离子能够被低频电场有效的加热。 由于氮离子和分子的振动激发与电子温度有不同的依赖关系,以及高频功率和低频功率对于等离子体中电子温度的影响不同,实验中发现氮离子振动温度随低频功率的增长率大于氮分子振动温度的增长率。而高频功率的影响则与之相反,氮分子振动温度随高频功率的增长率大于氮离子振动温度的增长率。还发现,随着放电气压的上升,氮分子或离子的振动温度与转动温度的差距将缩小。 (3)采用逆阿贝尔变换法,获得了等离子体发射光谱的径向分布,从而研究了单频和双频容性耦合氩等离子体的空间均匀性。 单频放电时,在不同的激发频率下,等离子体的不均匀主要发生在电极板边缘,且边缘效应的影响程度会随着激发频率的上升而下降。这是因为放电电压随着激发频率的上升而下降引起的。另一方面,放电功率的上升也会使放电电压增加从而增强了边缘效应,导致了等离子体不均匀性的增加。而放电气压的上升,在2MHz放电时会使等离子体不均匀性下降,在13.56MHz和41MHz时则会使等离子体不均匀性上升。 双频放电时,情况要相对复杂。放电气压的变化基本上未改变氩光谱线强度的轴向分布形貌,而高频和低频功率的变化却对它的轴向轮廓形貌有显著的影响。这是因为光谱强度与等离子体密度和温度相关,而高频和低频功率会改变等离子体密度和电子温度的轴向分布比例,相反放电气压则基本不会改变它们的轴向分布比例。在双频放电中,等离子体的不均匀还是主要发生在电极板边缘,这也是由边缘效应引起的。但是在除边缘之外的地方,其强度的起伏比单频放电时的多,这可能主要是由于使用双频放电时两个频率并没有完全解耦所致。 (4)采用光强标定及光谱拟合等方法,研究了双频容性耦合CHF3等离子体中高频、低频功率和气压对于CHF3气体分解过程的影响。 放电所产生的活性基团F和H的相对密度及F/CF2比随低频功率的增长率远大于高频功率,造成这个现象的原因是由于等离子体中的电子能从低频鞘层中获得更多的能量,而F和H基团主要由电子碰撞产生。 同时还发现随着放电气压的上升,F和H的相对密度、及F/CF2比随之下降,这是因为气压的上升导致了电子温度的下降。


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