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射頻放電等離子體一般有兩種不同的激發(fā)方式,分別為電感耦合等離子體和電容耦合等離子體,其可在低氣壓下產(chǎn)生高密度的等離子體。射頻等離子體中的電子能量通常可達(dá)幾個(gè)eV甚至更高,可以借助電子的高活性促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行,且不會(huì)對(duì)材料本底造成破壞,因此被廣泛應(yīng)用于材料表面改性等領(lǐng)域。對(duì)于射頻等離子體源而言,常見的等離子體源有容性耦合等離子體源、感性耦合等離子體源。

容性耦合等離子體源

射頻容性耦合等離子體(Radio-requency Capacitive Coupled Plasma,RF-CCP)源的基本放電結(jié)構(gòu)如圖1.1所示,將射頻電源施加在兩個(gè)平行板電極上,組成類似電容結(jié)構(gòu)的放電裝置。兩個(gè)電極之間的放電區(qū)的結(jié)構(gòu)為:鞘層/等離子體/鞘層,類似于三明治結(jié)構(gòu)。CCP源的可控參數(shù)通常有放電功率、工作氣壓、平行板電極面積、電極間距等,通過(guò)對(duì)上述放電參數(shù)的調(diào)節(jié)使放電性質(zhì)得以改善,從而滿足實(shí)際的工藝需求。為了實(shí)現(xiàn)各向異性的刻蝕工藝,通常選用較低的放電氣壓10~100mTorr,射頻頻率為1~100MHz,電極間距為1~5cm,當(dāng)兩個(gè)電極的大小完全相同時(shí),為對(duì)稱的CCP,如圖1.1(a)所示,否則為非對(duì)稱的CCP,如圖1.1(b)所示。在非對(duì)稱CCP中,射頻電源被施加在面積較小的驅(qū)動(dòng)電極上,而接地電極的面積遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)電極,因此由于兩電極不對(duì)稱,將導(dǎo)致兩側(cè)鞘層中的電壓降不相等,即驅(qū)動(dòng)電極附近的鞘層厚,電位降大;而接地電極附近的鞘層薄,電位降小。為了維持電流平衡,在驅(qū)動(dòng)電極一側(cè)會(huì)形成一個(gè)較大的直流自偏壓。一般會(huì)將被處理的工件置于面積較小的電極上,這樣就可以有效利用鞘層的自偏壓,提高表面處理工藝的效率。在射頻放電中,典型射頻電源的頻率為13.56MHz,電子密度與射頻頻率有關(guān),其放電密度較低,一般在10¹⁵~10¹⁷m^-3之間。但在某些特殊情況下,放電頻率則會(huì)選用大于13.56MHz的頻段,甚至更高(稱為甚高頻CCP)。

圖1.1  射頻容性耦合等離子體放電結(jié)構(gòu)示意圖:(a)對(duì)稱電極結(jié)構(gòu);(b)非對(duì)稱電極結(jié)構(gòu)

感性耦合等離子體源

ICP源是在頂端或側(cè)壁處放置的射頻線圈,該線圈由射頻電源來(lái)驅(qū)動(dòng),然后將交變的射頻電流輸入線圈,在反應(yīng)器中產(chǎn)生交變磁場(chǎng),交變磁場(chǎng)會(huì)感應(yīng)出交變電場(chǎng),并通過(guò)感應(yīng)電場(chǎng),使反應(yīng)器中的背景氣體電離,以產(chǎn)生等離子體。通常,ICP采用頻率為13.56MHz的射頻電源,由于射頻電場(chǎng)沿著環(huán)向,被電場(chǎng)加速的電子也主要是沿著環(huán)向運(yùn)動(dòng),與中性粒子碰撞的機(jī)會(huì)較多,因此可以在低氣壓下大范圍內(nèi)獲得均勻的高密度等離子體。

根據(jù)放電線圈的形狀和位置的不同,應(yīng)用中的ICP源主要分為以下兩種:一種是將射頻線圈纏繞在放電腔室的側(cè)面,構(gòu)成螺旋柱狀線圈,如圖1.2所示。一般利用石英介質(zhì)窗將放電腔室和線圈分離。由于此時(shí)的射頻源的發(fā)射天線纏繞在絕緣真空腔室外邊,當(dāng)通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)把射頻功率施加到天線上時(shí),天線中就會(huì)有射頻電流通過(guò)并產(chǎn)生射頻磁通,在真空容器的內(nèi)部沿著圓筒形容器的角方向感應(yīng)出射頻電場(chǎng),從而擊穿放電氣體產(chǎn)生等離子體。另一種ICP源將線圈置于腔室的頂部,叫做平面線圈,如圖1.2(b)所示,基片放置在下方,真空窗口和基片之間相距大約5~10cm,電子的加速機(jī)制與螺旋柱狀線圈相同,可以通過(guò)天線的結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)控等離子體的均勻性。

圖1.2感性耦合等離子體源結(jié)構(gòu)示意圖:(a)柱狀線圈,(b)平面線圈

在ICP放電中,線圈中的射頻電流(角向)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場(chǎng)(沿徑向和軸向的兩個(gè)分量),這個(gè)變化的磁場(chǎng)又將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)變化的射頻電場(chǎng)(沿角向),所以稱這種放電是一種電磁模式(Hmode),為感性放電。線圈兩端的電壓降,可以在放電腔室中產(chǎn)生類似CCP放電中的靜電場(chǎng),因此稱放電為容性或靜電模式(Emode)。ICP具有放電氣壓低(<50mTorr)、裝置結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、無(wú)需外加磁場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)中多晶硅和金屬的蝕刻。