放电参量对电负性容性耦合等离子体电子密度的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)苏州大学物理科学与技术学院 作者:唐中华

  利用微波共振探针对40.68MHz单射频容性耦合SF6、Cl2、O2/Ar电负性等离子体电子密度进行了诊断测量。首先,将微波共振探针在Ar等离子体中的测量结果与朗缪尔探针结果进行对比,确定微波共振探针精确测量的实用范围;其次,运用微波共振探针的测量方法详细研究了放电参量对电负性容性耦合等离子体电子密度的影响。结果发现,电负性气体如SF6、Cl2、O2掺入到Ar等离子体中,均大幅度降低了等离子体的电子密度,强电负性气体的掺入对电子密度的下降尤为明显,随着电负性气体的不断掺入,电子密度趋于稳定值。文中也解释了射频放电功率和放电气压对电子密度造成的影响。

  低温等离子体在材料制备、亚微米量级器件,微电子、光电子器件工艺以及半导体工业中得到广泛应用。在反应等离子体中,电子密度是反应等离子体的基本参量,原子的激发、等离子体中物质种类的产生速率都与电子密度有关,同时刻蚀速率、沉积速率也都与电子密度紧密联系,对电子密度的诊断是了解和控制反应等离子体的一个关键。人们采用了多种测量方法如朗谬尔静电探针法、激光光致分离技术、汤姆逊散射法以及微波共振探针法等对等离子体的电子密度进行了较为精确的测量。

  目前,运用最为广泛的是朗缪尔静电探针,因为朗缪尔探针结构简单、使用便捷,而且具有良好的空间分辨率,但是传统的探针普遍用于电正性等离子体电子密度的测量,在电负性等离子体以及沉积、刻蚀等离子体工艺应用中,探针的电阻特性会受到严重干扰,以至于增加了I-V特性曲线的分析难度,难以得到准确的电子密度测量,因而难以反应等离子体内部的真实特性。为了能准确测量电性等离子体中的电子密度,人们开发了基于网络分析仪的微波共振探针技术。微波共振探针在测量等离子体电子密度过程中,所得数据的变化主要依赖于等离子体内部参数的改变导致探针之间介质介电常数的变化,其他因素几乎不影响微波探针的诊断,因此微波共振探针的诊断方法在电负性等离子体的测量中能够有效利用。

  1976年,Stenzel首次提出微波共振探针,并以此测量低气压下等离子体电子密度;Piejak在Stenzel的基础上改善了探针结构,提高了信噪比,同时使用流体模型首次提出对探针进行鞘层修正,之后又运用发夹探针对射频等离子体进行测量;F.A.Haas考虑到鞘层影响对发夹探针的电子和离子鞘层影响进行了研究;S.K.Karkari使用悬浮发夹共振探针直接测量双频容性等离子体的空间电子密度;邹帅使用悬浮微波共振探针与双探针测量相比较,证实了微波共振探针在电负性气体中测量低电子密度的准确性和可实施性,并测量了氟基容性耦合等离子体的电子密度;徐金洲和BrianLSands所在的研究小组分别对高气压等离子体密度的诊断做理论与实验上系统的研究,并将Piejak提出的修正因子拓展到了鞘层半径较大的情况;Lji Liang使用螺旋型微波共振探针解决了传统探针无法测量高频等离子体密度的问题。Braithwaite等通过调制等离子体功率源的相位参数及反射信号,在放电前端施加低频偏压进行调制等方法得到了更为准确的等离子密度。近年来,SF6、O2、Cl2等电负性气体在多晶硅片的干法制绒中起着不可替代的作用,使得人们对电负性等离子体的测量愈发重视。多晶硅干法制绒是太阳能电池片制造的一种重要工艺,并且放电功率、反应气压以及源气体流量比率都是表面形貌形成的重要参量。研究表明,电负性等离子体的电子密度、活性基团的比例、离子轰击能量是多晶硅表面干法制绒的重要因素。等离子体中的电子输运到鞘层边界,在射频场中获取能量并反弹进入体等离子体后,与背景气体分子发生振动与转动激发、电离以及吸附分解等一系列碰撞反应,这些化学反应机制深刻的影响着等离子体中的电子密度,因此电子密度的测量有助于理解等离子体中电负性气体发生化学反应。在本文中,利用微波共振探针技术对40.68MHz单频激发的容性耦合等离子体的电子密度进行测量,通过改变放电等离子体外部参量,如放电功率、放电气压以及三种不同电负性气体与背景气体Ar的不同流量比,详细测量了这些外部参数对等离子体电子密度的影响。

1、微波共振探针测量原理

  图1为传统发夹探针的简易图。如图1(a)所示,传统意义上的微波共振探针是一根一端开路、一端短路的四分之一波长的传导线(l为探针长度),微波从z=-l处入射,在z=0处发射。电子密度ne可以通过fr和f0简单地表示出来

放电参量对电负性容性耦合等离子体电子密度的影响

  式中,电子密度ne的单位为1010cm-3,频率fr、f0分别为探针在等离子体与真空中的振动频率、单位都为GHz。

发夹探针和探针侧面简易图

图1 发夹探针和探针侧面简易图

  在低电子密度的情况(比如电子密度ne=109cm-3,电子温度Te=2eV)下,鞘层厚度达到毫米量级,此时鞘层在探针之间的介质中占有重要作用,严重影响了介电常数的数值大小,因此在这种情况下,就有必要考虑到鞘层影响的存在。悬浮探针的设计使得探针处于悬浮状态,它的电势也将随等离子体变化,通过鞘层的射频电势也可以忽略不计,因此可以使用一般的鞘层修正就可以得到更准确的等离子体密度。

4、结论

  文章采用悬浮型微波共振探针技术对40.68MHz激发的单射频容性耦合SF6、Cl2、O2/Ar电负性等离子体的电子密度进行了诊断测量。首先通过与朗缪尔探针测量结果进行比较,确定了微波共振探针对等离子体电子密度精确测量的适用范围。并采用微波共振探针的测量方法系统研究了放电参量对掺入不同电负性气体的容性耦合Ar等离子体电子密度的影响。实验结果表明,强电负性气体如SF6、Cl2掺入到Ar等离子体大幅度降低了等离子体的电子密度,而O2的掺入对电子密度的影响远小于强电负性气体等离子体。射频放电功率的增加直接导致了电子密度的上升;而放电气压的上升导致了于电子与粒子的两次碰撞之间的能量增益下降,间接导致了电子密度的下降。

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