Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I Источники плазмы в микро- и наноэлектронике и методы их диагностики 13
1.1 Введение 13
1.2 Источники плазмы в микроэлектронике 16
1.2.1 Источники плазмы с совмещенными зонами 16
1.2.2. Источники плазмы с разделенными зонами 19
1.2.2.1. Источники плазмы без магнитного поля 20
1.2.2.2 Источники плазмы с магнитным полем 23
1.3. Методы диагностики плазмы в микроэлектронике 25
1.3.1 Метод электрических зондов, его применение для оптимизации технологического плазменного оборудования 30
ГЛАВА II Плазмохимический реактор диодного типа на базе нч разряда 36
2.1. Экспериментальная установка 36
2.1.2. Схема зондовых измерений 38
2.2. Особенности зондовой диагностики плазмы электроотрицательных молекулярных газов при средних давлениях 40
2.2.1. Учёт влияния стока электронов на зонд 41
2.2.2. Диагностика по ионной ветви зондовой характеристики... 42
2.3. Экспериментальные результаты 44
2.3.1. Режим горения разряда 44
2.3.2. ФРЭЭ и её моменты 44
2.3.3. Определение концентрации положительных ионов 46
2.3.4. Потенциал плазмы 50
2.4. Зондовые методы диагностики процессов плазмохимического травления 52
ГЛАВА III Плазмохимический реактор на основе источника индуктивно связанной плазмы 60
3.1. Технологическая установка 61
3.1.1. ВЧ источник с индуктивным возбуждением плазмы 61
3.1.2. Измерительный комплекс 63
3.2. Особенности зондовой диагностики индуктивно связанной плазмы электроотрицательных молекулярных газов в плазмохимических установках 66
3.2.1. Электромагнитные поля в зоне измерений 66
3.2.2. Конечное значение сопротивлений элементов зондовой цепи 69
3.2.3. Колебания потенциала плазмы 73
3.3. Методика обработки зондовых измерений 73
3.4. Экспериментальные результаты и их обсуждение 74
3.4.1. Зависимости параметров плазмы от вкладываемой в разряд мощности 76
3.4.2. Влияние магнитной системы защиты стенок на радиальную однородность параметров плазмы 81
ГЛАВА IV Плазмохимическии реактор на основе свч источника 83
4.1. Технологическая установка 84
4.2. Ионная ветвь ВАХ одиночного электрического зонда Ленгмюра в плазме электроотрицательных газов, влияние отрицательных ионов на образование слоя пространственного заряда 88
4.3. Экспериментальные результаты и их обсуждение 95
4.3.1. Зависимости параметров плазмы от вкладываемой в разряд мощности 98
4.4. Радиальная однородность параметров плазмы. Сравнение ICP и 103 СВЧ источников с точки зрения их применимости в технологии. Заключение 107
Литература 109
- Методы диагностики плазмы в микроэлектронике
- Особенности зондовой диагностики плазмы электроотрицательных молекулярных газов при средних давлениях
- Особенности зондовой диагностики индуктивно связанной плазмы электроотрицательных молекулярных газов в плазмохимических установках
- Ионная ветвь ВАХ одиночного электрического зонда Ленгмюра в плазме электроотрицательных газов, влияние отрицательных ионов на образование слоя пространственного заряда
Введение к работе
Актуальность проблемы
В настоящее время основным процессом при переносе рисунка литографической маски является обработка структур интегральных схем в плазменных реакторах: плазмохимические процессы в производстве интегральных схем следуют за каждым литографическим процессом. Это высокоанизотропное травление, низкотемпературное нанесение диэлектриков, снятие резиста, стабилизация резиста, очистка поверхности пластин от органических повреждений и атомов тяжёлых металлов, частичная планаризация и другие процессы. Поэтому одной из задач плазменной технологии является разработка и создание источников однородной плазмы с низкой электронной температурой (для снижения эффекта зарядки обрабатываемой поверхности) и высокой концентрацией ионов и радикалов. Задачи прецизионной плазменной обработки структур интегральных схем с глубоко субмикронными и наноразмерными топологическими нормами привели к широкому внедрению нового поколения плазменных реакторов с источниками плотной плазмы, заменившими собой НЧ- и ВЧ- источники с емкостным типом разряда. Принципиальной особенностью современных реакторов с источниками плотной плазмы является выведение пластины с обрабатываемыми микроструктурами из зоны генерации плазмы. Это позволило, с одной стороны, снизить дефектность субмикронных структур из-за повреждения сильными электромагнитными полями, а с другой - дало возможность независимо регулировать концентрацию, потоки и энергию ионов на пластину путем подачи независимого от разряда потенциала смещения.
Однако широкий спектр технологических применений не может быть реализован в «универсальном» плазмохимическом реакторе: в каждом конкретном случае необходимо проведение оптимизации оборудования в соответствии с требованиями данного технологического процесса. Диагностика плазмы играет важную роль в процессе разработки и оптимизации плазменного технологического оборудования. Наиболее подходящим методом диагностики плазмы реакторов является метод электрических зондов. Его несомненными преимуществами являются: большое число одновременно измеряемых параметров (температура и концентрация электронов, концентрации положительных и отрицательных ионов, функция распределения электронов по энергиям, потенциал плазмы); локальность измеряемых характеристик, благодаря чему возможно измерение пространственного распределения параметров плазмы в реакторе; возможность проведения автоматизированных измерений при относительно низкой стоимости аппаратуры. Анализ фундаментальных параметров плазмы, полученных в технологических условиях, позволяет оптимизировать источники плазмы на конкретные технологические применения.
Однако для технологических установок характерна совокупность проблем, которые осложняют корректное проведение зондовых измерений и их интерпретацию: наличие магнитного поля, ВЧ и СВЧ полей высокого уровня мощности, применение не модельного, а технологического газа, как правило, электроотрицательного, наряду с травящими обладающего пленкообразующими свойствами и т.д. Поэтому для корректного применения зондовой диагностики необходим анализ каждого конкретного случая.
Цель и основные задачи работы:
Исследование и сравнительный анализ параметров низкотемпературной плазмы в источниках, построенных на различных типах электрических разрядов, в различных технологических газах.
Диагностика плазмы в плазмохимических реакторах, проведение работ по модернизации широкоапертурных источников плотной плазмы для разрабатываемых во ФТИАН плазмоиммерсионных ионных имплантеров и пилотных плазмохимических установок, предназначенных для субмикронных технологических процессов производства интегральных схем с проектными нормами 0.13-0.5 микрон.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующих основных положениях, которые выносятся на защиту:
1. Зондовым методом впервые измерены параметры плазмы BF3 (функция распределения электронов по энергиям, эффективная температура электронов, электронная и ионная концентрации) в установке плазменно-иммерсионного имплантера с источниками плазмы двух типов: СВЧ источником (2.45 ГГц) и индуктивно-связанным ВЧ источником (13.56 МГц). Измерения проведены в условиях, максимально приближенных к технологическим - для давлений рабочего газа BF3 в диапазоне р 0.5-20 мТор и вкладываемых мощностей W 400-1500 Вт, в зоне вблизи пластины.
2. Проведён сравнительный анализ параметров плазмы в зоне обработки (в реакторе, предназначенном для обработки 150- миллиметровых пластин) для источников, построенных на различных типах электрических разрядов, с точки зрения современных требований к реакторам для технологии микро- и наноэлектроники: высокой концентрации ионов, низкой электронной температуры и высокой пространственной однородности этих параметров. Сравнение проведено для технологического газа BF3, активно применяемого в процессах плазмоиммерсионной ионной имплантации. 3. Проведены измерения с фазовым разрешением параметров плазмы кислорода в НЧ (10-100 кГц) плазмохимическом реакторе диодного типа.
4. Показана принципиальная возможность использования электрических зондов для исследования эволюции параметров плазмы в процессе травления и определения момента окончания процесса на примере травления слоя SiCh на Si в плазме C2F6.
Практическая ценность работы.
Полученные результаты относятся к промышленно значимым, они были использованы для разработки и оптимизации широкоапертурных источников плотной плазмы в разработанных во ФТИАН плазмоиммерсионном ионном имплантере и автоматизированной установке для плазмостимулированного осаждения диэлектриков. Две такие установки поставлены в Институт неорганической химии и Институт физики полупроводников СО РАН и в настоящее время успешно используются для осаждения тонких диэлектрических плёнок.
Апробация работы; Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции «Микро- и наноэлектроника 2001» (Звенигород, 2001г.), III Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (Плес, 2002г.), XXX Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород 2003г.), Международной конференции «Микро- и наноэлектроника 2003» (Звенигород 2003г.), 16th International Vacuum Congress (Venice, Italy, 2004), на семинарах ФТИАН и физического факультета МГУ.
Публикации: Основное содержание диссертации опубликовано в 15 работах, список которых приводится в конце реферата.
Объем и структура работы. Основное содержание диссертации изложено на 114 страницах машинописного текста. Работа состоит из Введения, 4 глав и заключения, в котором сформулированы основные выводы.
Список цитируемой литературы содержит 102 наименования. Диссертация содержит 55 рисунков.
Во введении обоснованы актуальность, цели и задачи диссертационной работы.
Первая глава содержит обзор современных публикаций по теме диссертации. Дана классификация плазмохимических реакторов, основанных на различных типах газовых разрядов, с точки зрения практических приложений в микроэлектронике. Рассмотрен ряд требований, предъявляемых к современным плазмохимическим реакторам; особенности, преимущества и недостатки при их использовании для различных процессов микроэлектроники. Указывается на необходимость изучения характеристик плазмы для выбора того или иного источника плазмы для каждой конкретной задачи. Вторая часть главы посвящена общей характеристике методов диагностики источников плазмы в микроэлектронике, приведена краткая классификация методов диагностики низкотемпературной технологической плазмы. Показано место, которое занимает зондовая диагностика среди других диагностических методов, позволяющих проводить локальные измерения плазменных параметров. Проанализированы принципиальные преимущества и недостатки этих методик.
Во второй главе описана установка плазмохимического травления XPL-1, на которой проводились эксперименты. Исследовался низкочастотный (f = 40 кГц) разряд в реакторе диодного типа. Стенки реактора и электроды выполнены из алюминия, покрытого оксидным слоем. Диаметр цилиндрической камеры 35 см., высота - 6.5 см.; диаметр электродов 12.6 см., расстояние между ними 2.5 см. Для проведения зондовых измерений использовалась схема стробируемого интегрирования, обеспечивающая временное разрешение. Измерения проводились в фазе питающего напряжения, соответствующей максимуму отрицательного напряжения на высоковольтном электроде.
Проанализированы особенности зондовой диагностики плазмы электроотрицательных газов в условиях, типичных для проведения плазмохимических процессов в НЧ реакторах. Зонд, как правило, работает в режиме, промежуточном между бесстолкновительным и диффузионным - этот режим является наиболее сложным для описания. При обработке электронной ветви вольт-амперной характеристики (ВАХ) зонда необходимо учитывать эффекты, связанные с конечностью отношения Ле I а (Ле - длина
свободного пробега электронов, а - радиус зонда): сток электронов на зонд и конечную проводимость плазмы.
Диагностика по ионной ветви ВАХ должна учитывать, что в плазме электроотрицательных газов при типичных давлениях плазмохимических процессов 0.1-1 Тор существенно более низкие значения пе приводят к тому, что размер слоя пространственного заряда велик (з Л,). Поэтому роль столкновений оказывается двоякой: с одной стороны, ток растёт за счёт разрушения орбитального движения (ионы двигаются по кратчайшим (радиальным) траекториям), с другой - ток уменьшается за счёт силы трения, обусловленной столкновениями.
Вторые производные электронного тока на зонд от потенциала находились путём двойного численного дифференцирования. Полученные зависимости затем обрабатывались с учётом сопротивления плазмы и эффекта стока. ФРЭЭ нормировались
условием \f0(e)emde = l. Обращает внимание заметное обогащение ФРЭЭ в области энергий более 2-3 эВ, проявляющееся при всех давлениях и мощностях. Такое обогащение ФРЭЭ связано, по-видимому, с быстрыми электронами, набравшими энергию в приэлектродном слое разряда.
При интерпретации ионной части ВАХ отмечена особенность ситуации, которая складывалась в экспериментах. Для электронов Ле а и зонд находится в режиме низких давлений, в котором столкновения учитываются как малая поправка; однако, для ионов, в силу того, что Ле » Xi/t, зонд находится в переходном режиме для малых значений р и близок к диффузионному при больших р. Поэтому расчёты концентрации ионов проводились двумя способами: по теории промежуточных давлений и диффузионной теории.
Поскольку п » пе, из условия квазинейтральности следует, что п « п . Таким образом, концентрации как положительных, так и отрицательных ионов в разряде практически не зависят от давления и растут с ростом вложенной мощности, а концентрация электронов слабо растёт с ростом давления. Максимальная величина и_/ле«10 и падает с уменьшением вкладываемой мощности и ростом давления. Последнее аналогично ситуации в плазме положительного столба РПТ, однако зависимость п_1пе от тока разряда противоположна: п_1пе падает с ростом тока.
Одиночный зонд Ленгмюра предложен для изучения эволюции параметров плазмы НЧ разряда в C2F6 в процессе травления слоя БіОг на кремнии и возможности определения момента окончания травления в диодном плазмохимическом реакторе. Перспективность использования метода связана с высокой чувствительностью зонда к изменению внутренних параметров плазмы разряда, возможностью регистрации временного хода зондового тока или эволюции ВАХ; простотой технической реализации метода.
Мониторинг зондового тока при фиксированном напряжении смещения является наиболее простой и удобной формой контроля процесса травления. Рабочая точка на ВАХ выбиралась в электронной части (между потенциалом пространства и плавающим потенциалом). Во всех случаях зависимость тока от времени проходит через экстремум и выходит на насыщение. Выход зондового тока на новое стационарное значение обусловлен полным стравливанием слоя SiC 2 и установлением новых параметров плазмы, соответствующих медленному взаимодействию рабочего газа с поверхностью кремниевой пластины. Характерно, что время насыщения зондового тока линейно зависит от мощности питающего генератора. Повышение давления рабочего газа ускоряет процесс насыщения. Таким образом, наблюдаемые зависимости коррелируют с известными зависимостями скорости травления от мощности разряда и давления рабочего газа. Плазма C2F6 характеризуется в данных условиях относительно невысокой концентрацией отрицательных ионов: п+/Пе«4. В процессе травления Si( 2 концентрация отрицательных ионов растёт, отношение п+/Пе достигает величины п+/пе«10. Увеличение доли отрицательных ионов при травлении окисла разумно объяснить поступлением ионов О в разряд. К концу травления значения концентрации заряженных частиц начинают приближаться к уровню, соответствующему разряду без пластины.
В главе III представлены результаты исследования параметров плазмы BF3 ВЧ источника плазмы с индукционным возбуждением (ICP), Источник представляет собой цилиндрическую камеру из нержавеющей стали 0 30 см и высотой 20 см с плоской антенной - спиралью Архимеда. Зона генерации плазмы находится в верхней части разрядной камеры. Для уменьшения потерь плазмы на стенках используется мультипольная система магнитной защиты.
Измерения проводились в диапазоне вкладываемых мощностей 400 - 1500 Вт при давлениях в камере 0,5 - 20 мТор. Кроме модельного газа (аргона) исследовалась плазма BF3, применяемого в процессе плазменно-иммерсионной ионной имплантации. Таким образом, условия проведения экспериментов полностью соответствовали промышленным плазмохимическим установкам микроэлектроники.
Для учета факторов, осложняющих применение классической зондовой диагностики, были проведены оценки глубины скин-слоя, измерено распределение величины магнитного поля, создаваемого в камере пристеночной системой постоянных магнитов. Было установлено, что ни постоянное магнитное поле, ни ВЧ магнитное поле источника не влияют на электронный и ионный токи насыщения ленгмюровского зонда в зоне измерения. Известно, что наличие колебаний потенциала плазмы в области расположения зонда приводит к появлению методических погрешностей зондовых измерений, тем более существенных, чем больше амплитуда переменных колебаний. В мощном технологическом реакторе, в отличие от лабораторного эксперимента, спектр колебаний потенциала плазмы гораздо шире. Поэтому при проведении зондовых измерений нами широко использовались резонансные фильтры на частоты гармоник генератора в ЮР плазме и нерезонансный фильтр высоких частот для 100 кГц и выше. Поскольку измерения проводились в технологическом газе, перед каждым измерением проводилась очистка поверхности зонда.
Из-за отсутствия данных по сечениям столкновений BF3 для оценки длины свободного пробега электронов Ле и ионов Я, использовались данные по тетрафторметану CF4. В исследуемом диапазоне давлений 0.5 - 20 мТор и значений магнитного поля Ле,ге»а, и при обработке электронной ветви В АХ зонда применим классический подход. Для ионов Яі »a sa, слой тонкий и бесстолкновительный. Для описания ионного тока на зонд в такой плазме применяются два подхода: теория радиального движения (ABR) и теория орбитального движения (ОМ). Анализ экспериментов в плазме электроположительных газов показывает, что теория ABR дает более корректные результаты, чем ОМ. Это связано с малым, но конечным числом столкновений в области сбора ионов.
Несмотря на расширяющуюся сферу применения в микроэлектронной технологии, параметры борсодержащей плазмы газа BF3 остаются весьма мало исследованными. В экспериментах наблюдается линейная зависимость плотности плазмы BF3 от вложенной в разряд мощности. Абсолютные значения ионных концентраций лежат в диапазоне 3 -5x10 см в зоне обработке пластины. С учетом того, что эти результаты получены на электроотрицательном технологическом газе, и степень ионизации BF3 при рабочем давлении 2.5 мТор достигает 0.1 - 1% , можно утверждать, что источник обеспечивает поток сильно ионизованной плотной плазмы в зону обработки пластины. Для сравнения получены экспериментальные значения плотности электроположительной плазмы аргона в этом же ICP-реакторе. Видно, что при разумных вкладываемых мощностях достигаются значения концентраций ионов вплоть до 1x1012 см 3.
Проведены измерения электронной температуры в плазме BF3. В целом, электронная температура при фиксированном давлении выступает консервативным параметром, и весьма слабо меняется с мощностью.
Для повышения пространственной однородности параметров плазмы использовалась пристеночная система постоянных магнитов. Эффект от ее применения был исследован на плазме Аг, представлены радиальные распределения ионной концентрации nt и электронной температуры Те, полученные в реакторе с магнитной системой защиты стенок и без неё. Видно, что применение магнитной системы позволяет существенно повысить величину концентрации ионов и электронов, повысить степень однородности плазмы в области обрабатываемой пластины и понизить среднюю электронную температуру, поскольку при этом уменьшаются диффузионные потери заряженных частиц на стенках.
Ещё одним важным свойством подобного магнитного удержания плазмы является то, что более эффективно удерживаются горячие электроны, с энергиями, сопоставимыми с пристеночным потенциалом. Эти электроны являются основными в процессе ионизации.
В четвёртой главе представлены результаты исследования параметров плазмы СВЧ разряда в BF3. При измерениях в СВЧ плазме использовалось тщательное экранирование входных цепей, для уменьшения импеданса зонда применялись зонды большого диаметра. Приведены зависимости основных параметров плазмы от вкладываемой мощности. Проведено сравнение с индуктивно-связанной плазмой, создаваемой в том же самом реакторе.
ФРЭЭ в СВЧ плазме представляет собой так называемое бимаксвелловское распределение, которое приближенно может быть представлено, как сумма двух максвелловских распределений с температурами холодных (Тес) и горячих (Teh) электронов. Обе электронные группы обладают различными свойствами, каждая из них играет в разряде свою роль. Быстрые (горячие) электроны поддерживают должный уровень ионизации. По-видимому, это электроны, которые получили энергию в зонах ЭЦР. Такой ярко выраженный высокоэнергетический «хвост» ФРЭЭ снижает температуру основной массы электронов в нашем случае до Тес 2-5-2.5 эВ.
В индуктивно-связанной плазме такого ярко выраженного обогащения высокоэнергетический части ФРЭЭ не наблюдается. Функция распределения электронов по энергиям в измеренном диапазоне энергий максвелловская, Тес 3.6- 4.3 эВ при изменении р от 20 до 2.5 мТор. Таким образом, ICP и СВЧ источники принципиально отличаются видом ФРЭЭ.
Отсюда видно, что использование плазмы, получаемой с помощью СВЧ источника, для плазмохимического травления обладает одним главным недостатком - несмотря на то, что средняя температура основной массы электронов мала, относительно большое количество быстрых электронов приводит к интенсивной зарядке поверхности. Для проведения процессов плазмоиммерсионной ионной имплантации наличие такого количества быстрых электронов не является критичным, т.к. имплантация происходит посредством высокоэнергетичных ионов, неизбежно вызывающих появление дефектов, удаляемых последующими термообработками. Проведение процессов имплантации проводится до формирования слоев тонких диэлектриков, чувствительных к эффекту зарядки.
Особенную значимость для технологических применений имеет радиальная однородность параметров плазмы. Нами были получены радиальные распределения плазменных параметров в широком диапазоне давлений и вкладываемых мощностей. Исследуемые реакторы предназначены для обработки пластин 0 150 мм, поэтому существенно отклонение параметров плазмы в области ± 7,5 см от оси камеры. Следует указать, что в целом оба источника удовлетворяют современным требованиям, однако для ICP-источника плазмы удалось получить неоднородность по температуре 0.2 эВ при радиальной неоднородности ионной концентрации ± 2% в гораздо более широком диапазоне давлений и мощностей разряда. Пространственная однородность параметров плазмы в установке с СВЧ источником оказалась более критичной к давлению в рабочей камере. Для ее улучшения требовалась индивидуальная настройка геометрии магнитной системы защиты стенок.
В заключении диссертации сформулированы основные результаты работы.
Методы диагностики плазмы в микроэлектронике
Обсуждая значение диагностических методов для развития плазменной технологии микроэлектроники, невозможно обойти тему использования исследований различных параметров плазмы для разработки и оптимизации новых типов промышленных реакторов. Пожалуй, современный симбиоз диагностики плазмы с пространственным разрешением и ЗБ-моделирования ее параметров, понимание законов масштабирования в значительной степени обеспечивает прогресс в разработке промышленных установок для пластин большого диаметра. Этот инструментарий широко используется ведущими фирмами - разработчиками промышленного оборудования [21]. При этом нельзя не отметить исключительно дальновидное решение, принятое на Gaseous Electronic Conference в 1988 году о создании единой конструкции исследовательского ВЧ-реактора емкостного типа для изучения механизмов плазмостимулированных реакций и отработки диагностических методов в идентичных условиях. С тех пор около 30 реакторов GEC (GEC reference cell) в лабораториях всего мира [22, 23] позволили выработать проверенные, надежные методики диагностики плазмы, позволяющие однозначно верифицировать результаты моделирования. Именно отлаженный на таких реакторах комплекс диагностических методов, реализованный в современных автоматизированных диагностических приборах, позволил в короткие сроки оптимизировать для промышленного использования установки на источниках плотной плазмы - ICP/TCP, на геликонных волнах, микроволновые, ЭЦР.
Параметры плазмы, оптимизируемые в технологических реакторах, ответственны за качественные характеристики структур ИС на обрабатываемых пластинах. Плотность ионов и активных радикалов плазмы обеспечивает скорость протекания поверхностных реакций. Потоки и энергия ионов, бомбардирующих поверхность, температура ионов и радикалов отвечают за анизотропию процесса. Латеральная однородность этих потоков обеспечивает однородность скорости травления или осаждения слоя по площади пластины. Низкая электронная температура, пространственная однородность концентрационного поля ионов, потенциала плазмы, низкие напряженности электромагнитных полей в зоне обработки важны для снижения эффекта зарядки и вероятности электрического повреждения субмикронных структур. Компонентный состав плазмы оптимизируется для достижения требуемой селективности реакций и минимизации поверхностных загрязнений. Такое разнообразие параметров требует применения широкого спектра методов диагностики, а требования латеральной однородности плазмы приводят к необходимости пространственно - разрешенных измерений. Некоторые параметры могут быть измерены при помощи датчиков, встраиваемых на место обрабатываемой пластины [21, 24]. Пример такого устройства показан на Рис. 8а. В изолирующем покрытии датчика, устанавливаемого на держатель пластины, открыты 20 равномерно размещенных контактных площадок, имеющих связь с источником смещения и измерительными цепями. Подавая смещение на площадки, регистрируется величина и однородность ионного потока на пластину. Разработанный в Applied Materials датчик-энергоанализатор ионов [21] имеет конструкцию, близкую к показанной на Рис. 8а, однако содержит многоуровневый диэлектрик, разделяющий встроенные тормозящие сетки. Используя его, можно определять влияние ВЧ-смещения на пластине на распределение ионов по энергиям (Рис. 86). В работе [24] однородность концентрационного поля ионов и радикалов в плазме предложено измерять при помощи визуализирующей пластины. Она состоит из слоя фотостимулируемого фосфора (BaFBrI:Eu2+), нанесенного на кварцевую пластину толщиной 0.5 мм. Защищенный кварцем от электронов и ионов фотослой чувствителен только к характеристическому УФ-излучению радикалов. При обращении фотослоя к плазме, он оказывается чувствителен и к ионам.
Диапазон дозовой чувствительности соответствует обычной фотопленке, поэтому экспонируя такой датчик на месте кремниевой пластины, можно оценить однородность плотности ионов и радикалов в плазме по сечению реактора. Все методы диагностики технологической плазмы можно разделить на контактные и бесконтактные. Наиболее обширную группу контактных методов составляют различные зондовые методики (методы одиночного, двойного и тройного зондов). Обобщенно, в методе электрического зонда (иначе называемого зонд Ленгмюра) измеряется вторичный сигнал (ток на зонд); информацию о соответствующих параметрах плазмы получают на основе модели работы зонда данного типа в данных экспериментальных условиях, которая устанавливает связь искомого параметра плазмы с измеренным вторичным сигналом. Зондовый метод позволяет получать информацию о локальных значениях электронной концентрации пе, концентрации положительных п+ и отрицательных ионов л_, электронной температуре Те, функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), потенциале плазмы Vp. Неоспоримым преимуществом зондовых измерений является локальность измеряемых параметров плазмы. К недостатку метода можно отнести возмущение плазмы. Таким образом, применимость зондового метода имеет смысл только тогда, когда это возмущение достаточно мало или может быть учтено, т.е. выделен сигнал, соответствующий невозмущённой плазме. Бесконтактные методы подразделяются на методы активной и пассивной диагностики [25]. При применении активных методов на плазму воздействуют каким-либо внешним немеханическим фактором (лазерное излучение, пучок частиц любого типа).
Некоторые активные методы, так же как и зондовая диагностика, позволяют проводить локальные измерения параметров плазмы. Так при проведении диагностики по рассеиваемому излучению существует возможность получения данных из локальных областей пространства. Одним из таких методов является определение параметров электронной компоненты плазмы по томсоновскому рассеянию. Известно, что для движущихся электронов спектр рассеянного света определяется доплеровским сдвигом. Определение Те и пе происходит путём сравнения наблюдаемых и рассчитанных спектров. Сдвиг длины волны рассеянных фотонов по отношению к длине волны лазерного излучения даёт возможность непосредственного измерения ФРЭЭ. При практическом применении этой методики оказывается, что нижний предел чувствительности для определения электронной концентрации 1012 см"3[25], это связано с возможностью детектирования слабых потоков рассеяния и наличием паразитного фона. Характерные значения концентрации электронов в HDP реакторах 10И-Ч012см"3, т.е. при диагностике такой плазмы метод работает на пределе своей чувствительности. В методе лазерно-индуцированной флуоресценции [1,25] может быть измерена плотность компонентов плазмы, находящихся в основном электронном состоянии. Идея метода ЛИФ заключается в предварительном селективном возбуждении радикала или иона из основного состояния интенсивным лазерным импульсом соответствующей длины волны и последующей регистрацией сигнала флюоресценции возбужденного компонента при переходах на нижележащие энергетические уровни. При этом нормализованный сигнал ЛИФ при постоянной энергии возбуждающего импульса прямо пропорционален населенности (плотности) радикала в плазме в основном электронном состоянии. При выполнении определённых условий форма линии флюоресценции совпадает с формой линии собственного излучения плазмы. Это даёт возможность по контуру спектральной линии определить концентрацию электронов (если основной механизм уширения - штарк
Особенности зондовой диагностики плазмы электроотрицательных молекулярных газов при средних давлениях
Основным условием применимости классического метода зондов Ленгмюра является требование малости размеров области, возмущенной зондом, по сравнению с длинами свободного пробега электронов Хе и ионов \ : Здесь г и rD - радиус зонда и электронный дебаевский радиус соответственно. Первое неравенство говорит о малости эффектов экранирования зондом одних частей плазмы от других и поглощения частиц зондом; второе содержит в себе предположение того, что в слое не происходит столкновений. Характерными особенностями плазмы электроотрицательных газов являются сравнительно низкие значения концентрации электронов и значительные шумы разряда. Это требует применения зонда с рабочей поверхностью большей площади для обеспечения приемлемого отношения сигнал-шум. Таким образом, правые части неравенств (2.1) выше, чем в плазме одноатомных электроположительных газов.
Плазмохимические процессы в низкочастотных диодных реакторах проводятся при не слишком низких давлениях (р 0.1 Тор), когда значения Ле и Aj невелики, что приводит к нарушению неравенств (2.1). Измерение параметров плазмы возможно и в противоположном предельном случае диффузионного зонда, при г + s » Ле, где s - толщина слоя пространственного заряда. Тогда ФРЭЭ пропорциональна первой производной зондового тока [48]. Но для того, чтобы электроны, приходящие на зонд в диффузионном режиме, приносили информацию о ФРЭЭ в невозмущенной плазме, необходимо, чтобы длина их энергетической релаксации Ле превышала размер области возмущения ФРЭЭ, обусловленный присутствием в плазме зонда, т.е. должны выполняться неравенства Т.к. А=Ле(2т/М) (2т/М - эффективная доля потерь энергии электрона в соударениях), условие (2.2) выполняется в плазме одноатомных газов, где {2т/М) «1. Но для плазмы электроотрицательных молекулярных газов, где по порядку величины = 10 , 5 = 10rD si О"1 см, практически отсутствует возможность одновременного удовлетворения неравенств (2.2). Получается, что в условиях, типичных для проведения плазмохимических процессов в низкочастотных реакторах, зонд зачастую работает в режиме, промежуточном между бесстолкновительным и диффузионным; этот режим наиболее сложен для описания. При обработке вольт-амперной характеристики, полученной в плазме электроотрицательного газа, необходимо учитывать эффекты, связанные с конечностью отношения Де/г: сток электронов на зонд и конечную проводимость плазмы. При таких условиях, когда Яе невелика по сравнению с г, уход электронов на зонд приводит к тому, что значения концентрации электронов пе(г + Ле) и ФРЭЭ f0(s,r + Ae) на границе бесстолкновительной области вблизи зонда начинают заметно отличаться от их значений в невозмущённой плазме. Учёт этого момента был сделан Свифтом [49], который на примере сферического зонда показал, что зависимость электронного тока от задерживающего потенциала имеет вид: Соотношение между второй производной электронного тока на зонд и ФРЭЭ записывается следующим образом: где S параметр стока электронов на зонд, а Но формулы (2.3)-(2.5) были получены при сохранении условия Ле » rD, которое не выполняется в рассматриваемом диапазоне давлений.
Однако более строгий анализ, основанный на кинетическом подходе, показывает, что для применимости формулы Драйвестейна достаточно вьшолнения более мягкого требования Л » rD (вместо условия К го) [5 ]- Хотя в общем случае (при произвольных соотношениях между г, Ле и rD) описание тока на зонд и определение ФРЭЭ невозможны без знания распределения зондового потенциала для рассматриваемой плазмы, когда вместо сильных неравенств (2.1) выполняются слабые (Ле rD г), применение соотношений (2.3)-(2.5) не должно приводить к значительным погрешностям в описании зависимости ie(V). Для цилиндрического зонда, согласно [51], параметр стока можно оценить по формуле: Даже при небольших значениях 8 влияние эффекта стока на вид /е (V) является довольно существенным: искажается низкоэнергетическая часть ie(V), теряется информация о распределении электронов в области малых энергий. Расстояние между истинным потенциалом пространства и нулём ie (V) при малых значениях 8 «1 и максвелловской ФРЭЭ можно определить из выражения [52]: Численные расчёты показывают, что этим выражением можно пользоваться с приемлемой точностью в случае ФРЭЭ, не сильно отличающихся от максвелловской, вплоть до значений 8 = 1.
Особенности зондовой диагностики индуктивно связанной плазмы электроотрицательных молекулярных газов в плазмохимических установках
Метод одиночного зонда Ленгмюра позволяет получить не только интегральные (по энергии) характеристики плазмы, такие как электронная и ионная плотности, но и информацию о функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ). Эта информация является весьма важной в условиях чрезвычайно скупых сведений о сечениях столкновений технологических газов. Однако соответствующий ФРЭЭ более высокий «уровень» измерений осложняется не только проблемами, типичными для зондовых измерений в лабораторной плазме разрядов, поддерживаемых постоянными и переменными электрическими полями. Для технологических установок, как правило, характерна совокупность проблем, самых сложных даже в отдельности: наличие ВЧ полей высокого уровня мощности, колебаний потенциала плазмы, сильного магнитного поля, высокая степень электроотрицательности плазмы [69]. Поэтому корректная интерпретация результатов зондовых измерений требует анализа этих особенностей для условий, в которых проводятся технологические процессы. Последнее означает, что в конечном счете для нас наиболее важным являются условия, имеющие место вблизи держателя пластины - там, где проводится обработка. Качественно ситуация энерговклада в ICP разряде известна: энергия передаётся от электрического поля, создаваемого индуктором, к электронам плазмы внутри скин-слоя толщиной 5 вблизи поверхности кварцевого окна ввода. В исследуемом диапазоне давлений (единицы мТор) электроны пересекают скин-слой без столкновений за небольшое по сравнению с периодом поля время [64]. Такая ситуация реализуется при выполнении условия vthl8 (co2 +ve2n)1/2, где vlh - тепловая скорость электронов, S -эффективная глубина проникновения электромагнитного поля в плазму (глубина скинирования), со - частота ВЧ поля, ven - частота столкновений электронов с атомами. Однако в этих условиях связь ВЧ тока в индуктивно-связанной плазме и ВЧ поля не является локальной, наблюдается так называемый аномальный скин-эффект, когда имеет место немонотонное пространственное распределение ВЧ поля и ВЧ тока. Немонотонный спад электрического ВЧ поля вне скин-слоя может быть качественно интерпретирован как проявление суперпозиции электрического поля антенны и электрического поля разрядных токов в плазме [66].
Важным моментом является то, что ВЧ поле в скин-слое практически не зависит от ВЧ мощности и быстрее затухает в плазме при больших мощностях и более высоких плотностях плазмы. Нелокальная плазменная электродинамика характерна для индуктивно-связанной плазмы низкого давления в широком диапазоне параметров плазмы, таких, как плотность плазмы, частота греющего ВЧ поля и давление газа [70]. Степень нелокальности определяется так называемым параметром нелокальности Л, который характеризует отклонение от локального столкновительного нагрева электронов (приближение холодной плазмы): Л = {Хед IS)2, где keff = vlh{y2en + со2) 112 - эффективная длина свободного пробега электронов (принимаются во внимание изменения импульса электронов вследствие столкновений и взаимодействия с ВЧ полем). Когда Л«1, скин-эффект является нормальным и диссипация ВЧ энергии корректно описывается приближением холодной плазмы. При Л 1 скин-эффект аномальный, а когда Л»1 скин-эффект сугубо аномальный, что соответствует бесстолкновительной диссипации энергии ВЧ поля в плазме. Величина скин-слоя для цилиндрического ICP реактора, при условии, что радиус индуктора меньше радиуса камеры, определяется выражением [66]: где cc = venlct)eff ; b = \ + (l + a2)(c/Sou)p)2(al0 /а ), cop - электронная плазменная частота, a eff - эффективная частота ВЧ поля, 60 Л/3.8 - эффективная длина спада ВЧ поля в вакууме. На рис. 30 представлено рассчитанное в [66] аксиальное распределение поглощённой ВЧ мощности в реакторе на основе индуктивно-связанного разряда с плоским индуктором для различных вкладываемых мощностей. Как и ожидалось, практически вся ВЧ мощность рассеивается в скин-слое вблизи окна ввода. Измеренная теми же авторами зависимость аксиального распределения ВЧ мощности в ICP реакторе в зависимости от частоты ВЧ поля показана на рис. 31. Видно, что теория и эксперимент вполне удовлетворительно согласуются между собой. Полагая для оценки наших экспериментальных условий величину электронной концентрации пе »10 см (оценка снизу для HDP-источников), получаем по вышеприведенной формуле, что толщина скин-слоя гораздо меньше характерных размеров рабочей камеры.
Поэтому измерение таких характеристик плазмы, как, например, концентрация ионов, можно проводить, не учитывая влияние ВЧ поля. Однако ситуация с измерением ФРЭЭ более сложная. Каково влияние ВЧ поля на измерение ФРЭЭ методом второй производной вблизи пластины - на расстояниях 10 см от зоны генерации? В работе [71] исследован вопрос об ошибках в измерении средней энергии и искажении ФРЭЭ при некоторой конечной величине амплитуды ВЧ поля в призондовом слое V. Авторы рассмотрели случай, соответствующий ВЧ диапазону частот CD«CO0 и классу ФРЭЭ /о() = Акє1/2 схр(-(є / акє0)к), предложенному в работе [72] для описания ФРЭЭ в плазме, поддерживаемой электрическим полем. Здесь Ак - нормировочная константа, ак =Г(3/2)/Г(5/2&), Г(х) - гамма-функция. Результаты численных расчетов и их сопоставление с экспериментом позволили заключить, что для корректного измерения ФРЭЭ методом второй производной в шумящей или ВЧ плазме необходимо обеспечить выполнение условия eV akeQ. Отсюда видно, что для максвелловского распределения (Л = 1, а, =2/3) критерий малости искажений ФРЭЭ совпадает с критерием малого возмущения ВАХ eV кТе [73]. Однако для ФРЭЭ, обогащенных быстрыми электронами (к \), критерий малости искажений ФРЭЭ налагает более жесткие условия на допустимую величину V (например, при к =1/2, ау2 = 0.09). Расчеты [66] для W = 200 Вт , р=1 мТор и частоты 6.78 МГц показывают, что электрическое поле
Ионная ветвь ВАХ одиночного электрического зонда Ленгмюра в плазме электроотрицательных газов, влияние отрицательных ионов на образование слоя пространственного заряда
Известно, что при наличии отрицательных ионов в плазме может происходить существенное изменение вида вольтамперной характеристики зонда. При увеличении концентрации отрицательных ионов п_ возможна ситуация, когда ток отрицательных ионов на зонд превышает электронный ток. В этом случае движение положительных ионов в призондовом слое будет определяться уже не параметрами электронного газа, а температурой тяжёлых частиц; ток положительных ионов /+ перестаёт зависеть от ФРЭЭ и зависит от температуры отрицательных ионов. В этом случае зондовая характеристика может стать практически симметричной относительно потенциала плазмы. При низких давлениях, когда для электронов и ионов обоих знаков осуществляется бесстолкновительный режим работы зонда, зондовая характеристика в плазме с отрицательными ионами рассматривалась, в частности, в работах [85, 86]. Для зондовых измерений предлагалось использовать плоский зонд. В этом случае ток насыщения is при положительных потенциалах зонда определяется током электронов ies и отрицательных ионов i_s где S - плоадь зонда, ve, U_ - средние скорости электронов и отрицательных ионов, отрицательных ионов, соответственно. Ток насыщения положительных ионов /+1 при отрицательных потенциалах зонда i+s = eSn+sv+s, где дрейфовая скорость ионов, пересекающих границу слоя объёмного заряда, определяется критерием Бома [87]. Отношение токов насыщения R = i_s /i+s позволяет найти а при известных Те, Г , Понятно, что когда а имеет малые значения, оценка концентрации отрицательных ионов по измеренным значениям R производится с большой погрешностью, т.к. R в этом случае слабо зависит от а. Влияние отрицательных ионов на образование слоя
Отрицательные ионы оказывают существенное влияние на распределение потенциала в приграничной области плазмы [88]. Известно, что в электроположительной плазме слой начинается тогда, когда положительные ионы, летящие на стенку, приобретают ионную звуковую скорость (скорость Бома) [87]: Экранирование зонда слоем не является полным и падение потенциала с величиной порядка кТе должно проникать в область плазмы для того, чтобы ускорить ионы до этой энергии к моменту достижения ими границы слоя, где нарушается квазинейтральность. В бесстолкновительном пределе, безразмерный потенциал на границе слоя в электроположительной плазме (rj = eV/kTe) по отношению к потенциалу в объёме плазмы, будет равен т] = -1/2. Рассмотрим, как меняется значение безразмерного потенциала на границе слоя в электроотрицательной плазме. При задерживающих потенциалах зонда для отрицательных частиц последние имеют больцмановское распределение концентраций. Для электронов и отрицательных ионов имеем: где пе0 и п_0 - концентрации электронов и отрицательных ионов в невозмущё нной плазме, Те и Т_ - температуры электронов и отрицательных ионов, соответственно. В невозмущённой плазме выполняется условие квазинейтральности пе0 + п_0 = п0, п0 концентрация положительных ионов или, другими словами, плотность плазмы.
Распределение потенциала в слое описывается уравнением Пуассона: где параметр s в верхнем индексе s = 1 для цилиндрической геометрии зонда и s = 2 для сферической. После нормировки, используя выражения TJ = eV/kTe, % = г/Лр , а = п_0/п0, у = Те/Т_, получаем [78]: (1-а)ехр(-т]) + аехр(-у7]). В квазинейтральной области (плазменное решение) членами с производными в уравнении (4.7) можно пренебречь. Получаем «плазменное решение»: которое в нормированных координатах , s = s/(I/Ix) выглядит следующим образом: л/ЇГ Ф(»7) = 1 (4-9) Дифференцируя уравнение (4.9) и, полагая drj/dg -»о, получаем уравнение, определяющее потенциал границы плазмы в случае тонкого слоя. Таким образом, в электроотрицательной плазме, в приближении «холодных» положительных ионов, выражение для потенциала границы слоя приобретает следующий вид:
