【正文】 雙頻容性耦合等離子體物理特性的研究 * 王 友 年 大連理工大學物理與光電工程學院 * 國家自然科學基金重點項目資助課題 內 容 一、等離子體刻蝕技術的發(fā)展趨勢及存在的問題 二、幾種有代表性的等離子體源 三、描述 DFCCP物理過程的 解析模型 四、描述 DFCCP物理過程的 混合模型 五、直流偏壓效應 六、有關實驗工作進展 一、等離子體刻蝕技術的發(fā)展趨勢及問題 低溫等離子體刻蝕技術 在微納制造工藝中得到廣泛地應 用，如超大規(guī)模集成電路、微機械系統(tǒng)、微光學系統(tǒng)的制 備。 1）半導體芯片加工 2）微電機系統(tǒng)（ MEMS)加工 3）平板顯示器的加工 4）衍射光柵的制備 微齒輪 微結構 集成電路發(fā)展趨勢 : ?加工晶圓的面積更大 ?特征尺寸越來越小 ?集成度越來越高 對等離子體源的要求 : ?高的刻蝕率 ?高度的均勻性 ?高度的各向異性 ?高度的選擇性 ?較低的介質損傷 等離子體刻蝕工藝的趨勢 ? 均勻性 刻蝕的均勻性包含兩層意思： 1）宏觀的不均勻性 ：在晶片的徑向上造成的刻蝕率和刻蝕剖 面的不均勻性。 2）微觀不均勻性： 在每個微槽的底部和側面造成的刻蝕不均勻性。 等離子體密度 0 R 為了適應納電子器件的制備工藝，必須要： 1） 提出大面積、高密度、均勻等離子體的新方法； 2） 提出優(yōu)化刻蝕工藝的新方法。 ? 實驗 (或工藝 ) 研究 ? 計算機仿真模擬 平板式是射頻容性耦合等離子體 (CCP)源 plasma RF power 進氣 抽氣 介質 電極 開始于上個世紀 70年代，主要用于反應性等離子體刻蝕工藝。 單頻 CCP源的主要優(yōu)點： （ mTorr) plasma ，造價低 . 二、幾種有代表性的等離子體刻蝕源 根據(jù)熟知的定標關系可知：等離子體密度正比于驅動電源頻率的平方和施加的偏壓，即 當電源頻率 w一定時 , 要提高等離子體密度，唯一的途徑是增加施加偏壓。但增加施加的射頻偏壓時，轟擊到晶片上的離子能量也隨著增加。太高的離子能量，將對晶片造成不必要的介質損傷。 早期使用的都是單一頻率射頻電源（ )驅動放電的 CCP源，很難實現(xiàn)對等離子體密度（正比于刻蝕率）和入射到晶片上離子的能量分布的獨立控制。 2rfnV?? 微波電子回旋共振 (ECR)/RF偏壓等離子體刻蝕源 射頻感應耦合等離子體 ( ICP)/RF偏壓刻蝕源 RF biased electrode wafer coil Insulating plate 平面線圈感應耦合等離子體源 ? 主電源（連接在線圈）控制等離子體的狀態(tài)； ? 偏壓電源（施加在芯片臺上）控制離子轟擊晶片上的能 量分布。 感應耦合等離子體 (ICP)源的特點 特點 解決的問題 ?工作氣壓低 ( 2Pa ) ?等離子體密度高 (1011 cm3~1012cm3) ?產(chǎn)生等離子體的射頻源與基片臺射頻源獨立控制 ?提高各向異性刻蝕 ?提高離子流密度 ?提高刻蝕率 ?提高刻蝕的選擇性 ?降低晶圓介質損傷 問題： 1）適于刻蝕金屬、半導體材料； 2）產(chǎn)生大面積的均勻性等離子體比較困難。 雙頻電容耦合等離子體（ DFCCP)源 Upper electrode LF source HF source Plasma lower electrode 1）高頻電源控制等離子體密度、低頻電源控制離子的能量。 2）產(chǎn)生高密度、大面積均勻等離子體； 3)實現(xiàn)對絕緣體 SiO2的刻蝕。 （ 2023年 ） DFCCP 源 目前一些半導體設備制造公司已經(jīng)研制出或正在研制這種等離子體刻蝕設備，如： 1）美國的 Lam（泛林）公司 2)美國 Applied Materials公司 3)日本 Tokyo Electron 4)中微 (上海 )半導體設備制造有限公司 (AMEC ) DFCCP sources SCCMTE (TEL) ExelanCFE (Lam) Enalber (AMT) D92 SAC Etcher D92 SiN mask Etcher ? DualCCP , 30mT ? Uniformity : Dual cathode ? Narrow DualCCP : , 40mT ? PR Selectivity : Heated top electrode ? VHF DualCCP : Very High Freq. , 30mT ? High E/R PR Sel. : ~ ~ 60MHz 2MHz ~ ~ 162MHz 目前對這種雙頻 CCP放電的物理過程和相應的刻蝕機理，仍有很多問題需要研究 , 如： 1） 兩個電源的頻率匹配問題， 27MH/1MHz, 27MH/2MHz， 60MHz/2MHz？ 2） 兩個電源的施加方式， 施加在同一個電極，還是分別在兩個電極？ 3） 高頻電源的頻率到達多高為好？ 駐波效應？如何匹配電源的頻率和腔室的半徑？ Typical operating conditions for dielectric etching on 200300 mm silicon wafers are: ? discharge radius: R~1525 cm ? plate separation l~15cm ? high frequency fh ~ MHz ? low frequency fl ~ MHz ? highfrequency voltage amplitude |Vh| ~2501000 V ? lowfrequency voltage amplitude |Vl| ~5003000 V ? powers for both low and highfrequency sources: 5003000 W ? discharge pressure p ~30300 mTorr 駐波效應： 在超高頻情況下，電磁波的波長 l可以與放電裝置的反應腔室（或電極半徑） R相當，從而可以在等離子體腔室內部激發(fā)一個徑向傳播的電磁波，即駐波，引起等離子體密度徑向不均勻性。這對芯片刻蝕的均勻性影響很大。 Shaped lower electrode L. Sansonnens et al., J. Vac. Sci. Techn. A24,1 425 (2023) Method for suppressing standingwave nonuniformity 盡管一些廠家研制的這種刻蝕機已在線生產(chǎn)，但對于這種相關的基礎研究開展的不多： ? 為數(shù)不多的理論研究和計算機模擬工作； ? 相關的實驗研究工作很少（ 2023年 ）。 原因： 1）在線使用的刻蝕機是一個“黑匣子”，沒有留任何窗口對其中的等離子體進行診斷。 2）在超高頻或雙頻放電情況下，診