ECWR系统等离子体参数的诊断研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学 作者:王志宝

  电子回旋波共振(ECWR)技术是利用电磁波与电学各向异性材料(如带有外加静磁场的低压等离子体)的相互作用来实现的,该技术可在低压力下产生高密度等离子体,广泛用于微电子刻蚀、薄膜材料沉积等加工过程。等离子体的参数对刻蚀速率、表面成膜质量有着至关重要的影响,因此进行等离子体参数的测量研究能够促进电子回旋波共振技术的发展与应用。本文设计了朗缪尔探针检测装置,使用OES 光谱检测仪对ECWR 设备放电时的等离子体参数进行检测,并对检测结果进行了分析。结果表明,当直流电流强度为4.1A 时,系统内部发生了电子回旋共振效应。

  电子回旋波共振作为一种新发展起来的技术,可以高效激发等离子体,可以用来改造传统的溅射工艺。该技术是在反应室内部不包含任何激发电极的情况下,产生低压高密度等离子体,并能够平滑的改变所产生的等离子体的参数。国外研究人员现已应用这种技术制备多种半导体薄膜,但国内关于此方面的研究和设计却很少,本课题组已在文献中对ECWR 设备进行了搭建研究。利用该技术进行刻蚀或者镀膜时,等离子体的参数对产品性能起着至关重要的影响。因此,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为对等离子体的诊断具有重要的意义。本文设计了朗缪尔探针检测装置并使用OES 光谱检测仪对ECWR 设备放电时的等离子体参数进行检测,并对检测结果进行了分析。

1、ECWR 系统的介绍

  图1 给出了ECWR 镀膜机主体部分的三维图,该镀膜机的真空室直径为254mm、高为680mm,底部通过快接法兰与真空抽气系统相连接,工作时主真空室的本底真空度保持在0.1Pa 左右。该镀膜机的电子回旋波共振系统主要由射频单元、等离子体腔、亥姆霍兹线圈和一个离子引出系统组成。射频发生器的频率一般是13.56 或27.12 MHz,射频能量通过一个单匝线圈电感耦合到等离子体中。ECWR 等离子体属于低温高密度等离子体,其结构简单,而等离子体密度却可以达到很高,纯Ar气体中放电,等离子体密度可达1012cm-1。ECWR 镀膜机的详细原理及设计参数可参考文献。

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图1 ECWR 镀膜机

2、ECWR 设备的等离子体诊断

  2.1、朗缪尔探针检测

  朗缪尔探针法又称静电探针法,是一种比较传统的诊断方法,也是目前应用最广泛,装置最简单的诊断方法。朗缪尔探针诊断方法一般用于对大范围、均匀分布等离子体的参数进行诊断。此方法是利用在等离子体中插入一个导电探针,由双极性的扫描电源给探针提供所需范围内的电压,测量并记录加在探针两端的电压及流过探针的电流,绘制成I-V 特性曲线,再对I-V 曲线进行处理,计算出被测等离子体的各个参数。

  探针是朗缪尔探针系统的重要组成部分,本文实验中采用单探针结构,扫描电源输出波形为三角形波,电压范围为±100V。放电时,将扫描电压加在探针上,通过数据采集卡采集施加的电压以及流过探针的电流。

  图2 为探针驱动装置,该驱动装置由驱动器(如HYQD40 型驱动器)、两相混合式步进电机(如42BYGH39 1.8 度型步进电机)、步进电机控制器、100μF160V 电解电容、电感应限位开关、输出为24V 的直流开关电源、SFU01204-4 型滚珠丝杠副、滑块等组成。步进电机通过刚性联轴器与滚珠丝杠相连,滑块固定在螺套上,通过两个光轴限制滑块的自由度,使其只能沿丝杠轴线方向运动。在其滑槽里装有限位开关,通过电感应限位开关对探针的运动范围进行控制。探针与真空室之间通过真空细牙波纹管连接,实现密封目的,同时能够满足探针在轴线方向上的运动。

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图2 朗缪尔探针驱动装置

  该驱动通过电脑端上位机发出指令,经步进电机控制器、步进电机驱动器对步进电机进行控制运行,该上位机操作界面由VB 编写。当步进电机转动时,转动经由刚性联轴器传至滚珠丝杠轴,进而由螺套将旋转运动转化为沿光轴的直线运动,带动朗缪尔探针沿轴向运动,改变朗缪尔探针的测量位置,实现多点测量。课题组王庆等利用朗缪尔探针测得的I-V特性曲线如图3 所示,悬浮电位为-18.83V,等离子体密度随着射频电源功率的增加而增加,等离子体密度随着压力的增加而减少,电子温度随着折射功率的增加而减少,电子温度随着压力的增加而减小。

  2.2、OES 光谱检测

  本文利用发射光谱法(EPP2000型微型光纤光谱仪,美国莱特太平洋公司)测定ECWR 等离子体中存在的分子、原子的激发和电离状态。本实验等离子体的发射光通过真空室的石英窗口由光纤探头和传导光纤传入光谱仪并转变为电信号,再通过USB 接口传入计算机由软件显示出等离子体的发射光谱图,测量过程如图4 所示。

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图3 朗缪尔探针I-V 特性曲线

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图4 光谱检测过程

  本文利用Ar放电光谱研究ECWR射频系统产生的等离子体的性能,实验中测量了激发态的Ar 原子和Ar+ 离子的发光强度,用其光谱相对强度估量等离子体放电性能。Ar 的发光强度主要取决于基态Ar 原子密度和其激发能以及等离子体中电子温度和电子密度。为了解气体压力对等离子体放电性能的影响,实验时,向真空室中输入Ar,并使磁场线圈电流维持稳定,逐渐改变真空室内气体压力,进而测试等离子体相对强度,测试结果如图5 所示。根据测试结果可知,气体压力变大,等离子体密度增大,光谱强度变强是一个普遍现象,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为无法依据该结果判断系统内部是否发生电子回旋共振效应。

  为了解外加匀强磁场对等离子体放电性能的影响,实验时,向真空室中输入Ar,并使真空室气压维持稳定,通过改变直流电流大小改变等离子体区的磁场强度,进而测试等离子体相对强度。本文利用光谱测量系统测量在此条件下的发射光谱(200-1200 nm)用于表征等离子体相对强度,工艺参数如表1 所示。

  图6 显示了1 号工艺参数的OES光谱,由该图分析发现主要的谱线包括位置在738.04、867.48、913.85、966.93 和979.32nm 的Ar 离子谱线和位置在696.54、706.72、727.29、751.04、763.51、772.42、794.82、801.48、811.53、826.45、842.46、852.14和922.45nm 的Ar 原子谱线,其余不同工艺参数条件下的OES光谱与该图相似,只是强度略有不同。不同直流电流条件下Ar 等离子体光谱相对强度如图7 所示。

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图5 不同压力条件下氩等离子体发光强度图

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图6 氩等离子体发光图谱

表1 不同直流电流下进行OES 检测的参数

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图7 不同直流电流条件下氩等离子体发光强度图

表2 补充直流电流参数进行OES 检测

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  从图7 中可以看出,随着电流的增大,光谱强度也逐渐增大,这可能是由于磁场的束缚作用引起的电子更加强烈的碰撞,但是这并不能说明ECWR 射频溅射系统内部发生了电子回旋共振效应。为此,本文在此基础上添加了4 组实验,试验参数如表2 所示,测试结果如图8 所示。

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图8 不同直流电流条件下氩等离子体发光强度图

  10-13 号工艺参数下的OES 光谱与图6 相似,但相对强度略有不同,其氩等离子体光谱相对强度如图8 所示。从图8 中可以看出,当直流电流强度为4.1A 时,光谱相对强度之和最大,且在辉光放电的视觉上有突然增亮的效果,说明ECWR 射频溅射系统出现了电子回旋共振效应。

3、结语

  本文针对课题组前期搭建的ECWR 镀膜机设计了朗缪尔探针检测装置,使用OES 光谱检测仪对放电时的等离子体参数进行了检测,并对检测结果进行了分析。结果表明,当直流电流强度为4.1A 时,系统内部发生了电子回旋共振效应。

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