Исследование процессов в плазме высокочастотных емкостных разрядов низкого давления, возбуждаемых на одной и двух частотах

• Автор: Волошин, Дмитрий Григорьевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 154 с. : ил.

Содержание
Введение

Обзор литературы

Глава 1. Теоретические методы исследования кинетики частиц

1.1 Моделирование транспортных коэффициентов в постоянном электрическом поле

1.2 Полуапалитическая модель движения ионов в приэлектродном слое

1.3 Самосогласованное моделирование на основе метода “Частиц в Ячейке”

Глава 2. Сечения рассеяния электронов на молекулах фторуглеводоров

2.1 Создание самосогласованного набора сечений рассеяния электрона

на молекуле С1№з

2.2 Тестирование наборов сечений рассеяния электронов на молекуле С?

2.3 Выводы
Глава 3 Одночастотные ВЧ емкостные разряды в аргоне, возбуждаемые на высокой и низкой частотах
3.1 Динамические эффекты в НЧ симметричном разряде
3.2 Эмиссия вторичных электронов
3.3 Структура одночастотного разряда на низкой и высокой частотах
3.4 Выводы
Глава 4. Двухчастотный емкостный разряд в аргоне
4.1 Аналитический расчет функции распределения ионов по энергии
4.2 Эксперимент ДЧ
4.3 МЧЯ МК расчет ДЧ разряда
4.4 Выводы
Глава 5. Высокочастотный емкостный разряд в смесях Аг/СНГз, Ат/СБ.»
Заключение
Благодарности
Литература

Введение
Интерес к изучению неравновесной низкотемпературной плазмы газовых разрядов связан с ее интенсивным использованием в современной технологии. Это и обработка материалов в плазменных реакторах, которая включает в себя: травление, очистку, напыление (получение материалов с заданными свойствами), и получение интенсивных источников излучения.
Современные исследования в области масштабирования полупроводниковых приборов направлены на решение проблемы создания структур на субмикронном уровне. Выполнение этой задачи требует решения многих сложных фундаментальных и технологических проблем. Плазменное травление является важнейшим звеном в решении проблемы. В плазменных реакторах анизотропность травления достигается за счет того, что ионы в электрическом поле в приэлектродном слое ускоряются в направлении перпендикулярном электроду. Скорость процессов определяется величиной потока ионов из плазмы, которая непосредственно зависит от плотности плазмы. Селективность процессов травления обеспечивается за счет плазмохимических процессов на поверхности обрабатываемого материала. В этом заключается уникальность использования плазмы в технологии, совокупность физических и химических свойств которой позволяет с одной стороны производить механическое воздействие за счет ускоренных ионов, приводящее к распылению обрабатываемой поверхности, с другой стороны, добавляя различные газы, можно добиться необходимых плазмохимических процессов на поверхности обрабатываемого образца.
В настоящее время идет поиск плазменных систем для нового поколения плазменных реакторов для травления субмикронных структур при высокой скорости, анизотропии и селективности процесса. Для этого, с одной стороны, необходимо создать плазму высокой плотности (порядка 1011 см"3), а с другой должна существовать возможность эффективного управления энергией ионов, воздействующих на подложку. Для функционального разделения этих процессов в последнее время стали использовать плазму, возбуждаемую ВЧ емкостными разрядами на двух сильно разнесенных частотах (ДЧ ВЧЕ разряды). В таких разрядах плотность плазмы контролируется высокой частотой, а энергия ионов - низкой. Диапазоны изменения низкой (НЧ) и очень высокой (ОВЧ) частот мегагерцового диапазона лежат в пределах от 0.5 до 13.56 МГц и от 80 до 160 МГц, соответственно [1].
В настоящее время уже продемонстрированы возможности высококачественного травления и осаждения в ДЧ ВЧЕ реакторах. Однако бьшо обнаружено, что при определенных соотношениях между значениями частот и мощностей генераторов на этих

частотах наблюдается нелинейный эффект «связывания» частот (coupling). В этом случае плотность плазмы меняется с изменением мощности на низкой частоте, а энергия ионов зависит от мощности на высокой частоте.
Одно из главных применений ВЧ емкостной плазмы - травление диэлектрических материалов [1]. В частности, травление новых диэлектрических материалов с низкой константой диэлектрической проницаемости (low-k материалы) осуществляется преимущественно в ДЧ разрядах [2, 3].
Известно, что для правильного и адекватного описания процессов травления необходимо знать плотность электронов, ионов, радикалов и энергию ионов на поверхности обрабатываемого материала в плазме сложного состава [1]. Например, процессы анизотропного травления low-k материалов идут фторуглеродной или фторуглеводородной плазме, где буферным газом является аргон. В плазме фторуглеродов большую роль в установление параметров плазмы играет образование полимерной фторуглеродной пленки на поверхности обрабатываемых образцов (электродов). Реакции на поверхности (стенках камеры) с участием фторуглеродных радикалов приводят к росту пленки [1]. При этом разрушение пленки атомарным фтором и ионами ведет, наоборот, к выходу полимерных фторуглеродных частиц (молекул) в газовую фазу. Этот процесс во многом определяет баланс фторуглеродных радикалов в объеме плазмы. Кроме того, известно, что травление SiC>2 во фторуглеродной плазме происходит через образование плотного полимерного слоя на поверхности SiC>2 за счет полимеризации фторуглеродов. Структура и толщина полимера являются главным первичным источником селективности травления разных материалов, таких как Si, SiC>2, SijN/i, причем скорость травления почти обратно пропорциональна толщине полимерного слоя. Кроме того, активация поверхностных реакций и распыление под действием энергетичных ионов также значительно влияет на процесс травления.
Управление энергией и потоком ионов, процессом образования активных частиц в плазме является одним из ключевых звеньев в процессе травления. В связи с этим, необходимо детальное исследование процессов в приэлектродных слоях 04 и ДЧ ВЧЕ разрядах, где ионы набирают основную энергию, и исследование особенностей нагрева электронов в разряде в зависимости от параметров плазмы и газового состава.
Целью диссертационной работы является исследование процессов в плазме высокочастотных емкостных разрядов низкого давления, возбуждаемых на одной и двух частотах. Для данного исследования был создан ряд моделей движения частиц в плазме, сконструированы и протестированы наборы сечений рассеяния электронов в сложных

и является существенным только для энергичных ионов в области приэлектродных слоев. Сечение отлипания электрона при столкновениях с Аг было взято из работы [143]. Энергетический порог этой реакции не был определен в [143], поэтому в данной работе он был взят исходя из порога реакции отлипания на неоне: Р" 'I- Ые - 6.7 эВ. Также могут быть важны процессы ассоциативного столкновительного отлипания Б' на радикалах СРХ [36, 144]. Реакции между Р" и радикалами СРХ экзотермические, однако скорость и каналы этих реакций не были измерены. В данной работе было использовано приблизительное значение 5ТО"10см3/с из [145]. Влияние ассоциативного отлипания на концентрацию Р' будет подробно рассмотрено в главе 5. Сечение упругого рассеяния Р на Аг, Ср4 и СНРз было построено также как для ионов СРз+. Также в динамике концентрации иона Р может играть роль реакция отлипания электронным ударом:
Р + е —> Р + 2е для электронов с энергией больше 3.5 эВ. Однако данная реакция существенна только для концентраций электронов начиная со значений порядка 1012 см"3 и поэтому в данной работе не рассматривалась.
Данные о сечениях рекомбинации Р с положительными ионами отсутствуют в литературе. В данной модели учет ион-ионной рекомбинации был произведен согласно алгоритму, предложенному в [146]. Скорость реакции ион-ионной рекомбинации предполагается независимой от энергии ионов и равной 10"7см3/с. Для каждого сорта ионов раз в 105 шагов по времени случайным образом выбираются соответствующие пары положительных и отрицательных ионов с вероятностью соответствующей скорости реакции и концентрации частиц. При этом отслеживается равенство весов рекомбинирующих положительных и отрицательных ионов. Электрон-ионная рекомбинация не учитывается в данной модели, поскольку уход на электрод является основным каналом потерь электронов в исследуемых условиях.
Процессы на поверхности электродов с участием заряженных частиц
При моделировании разряда на низкой частоте и в ДЧ разрядах процессы на поверхности электродов с участием заряженных частиц могут существенным образом влиять на характеристики разряда.
В модели учитывалась вторичная эмиссия электронов под действием потока ионов, быстрых атомов, метастабильных частиц и фотонов. Также в модель включено упругое и неупругое отражение электронов от поверхности электродов, а также рождение вторичных электронов под действием налетающего потока электронов (вторичная электрон-элекгронная эмиссия - ВЭЭЭ).