射频.docx
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射频
3.不同电极鞘层电位降的关系
a)驱动直流接地;
b)驱动极悬浮
A2
A1
隔直电容
A2
A1
(a)直流接地(b)直流悬浮
图14容性耦合射频鞘层、等离子体内的空间电位分布
悬浮时两鞘层电位降的关系:
,
此即鞘层电压降的电极“面积比”模型。
有用的结论:
通过改变电极面积比,可以得到所希望的驱动电极电位、地电极电位。
[问题]射频自偏压是否可以为正?
隔直电容
A1
A2
图16
时容性耦合射频鞘层、等离子体内的空间电位分布
4.等离子体电位
射频电压的平均值决定值决定自偏压
由射频的电压的正幅值等离子体空间电位
性质:
(1)容性耦合射频等离子体电位也随时间振荡
(2)与地电极的面积有关
降低空间电位的方法:
(1)增加地电极面积;
(2)磁场约束;(3)磁控放电EⅹB
5.CCP体应用
典型应用工艺有三种:
(1)射频溅射沉积;
(2)刻蚀;
(3)等离子体增强化学气相沉积
匹配
网络
靶
基片
(a)溅射沉积
匹配
网络
基片
(b)反应离子刻蚀
匹配
网络
基片
(c)等离子体刻蚀和PECVD
图18射频等离子体典型应用工艺
工艺要求:
射频溅射沉积和反应离子刻蚀:
(a)希望驱动电极鞘层电位降大,以提高靶溅射率、刻蚀速率;
(b)壁鞘层电位降小于壁材料的溅射阈值,以抑制壁材料溅射对沉积、刻蚀薄膜表面的污染。
[简单二极型装置存在问题1]
(1)密度低(尽管能量高)→溅射、刻蚀、沉积的速率低
(2)二次电子发射强→基片温升高
匹配
网络
(a)射频平面磁控电极(b)电子的
漂移
(c)电子的运动轨迹
图19
由此带来的缺点:
不能实现低温、高速沉积工艺
解决方法:
磁控放电(
位形)。
优点:
低放电气压;高等离子体密度,低等离子体电位(污染)
缺点:
提高均匀性,靶利用效率
[简单二极型装置存在问题2]
离子轰击能量与等离子体密度不能独立控制
缺点:
不能完成优化工艺
比如:
在的优化离子能量下,提高等离子体密度
解决方法:
尝试过各种方法
实用方法:
等离子体产生与离子加速分离(参见图)
等离子体产生:
高密度等离子体源:
ICP、ECR、Helicon、SWP
离子加速:
射频偏置电源
ICPorECR
Plasma
基片
绝缘基片架
匹配网络
射频偏置电源
图20等离子体增强工艺
中基片射频偏置示意图
6[新技术介绍]---双频等离子体源技术
[原理]理论结果:
Vpp=c,np~(f)1/2
Prf=c,Vrfdc~(f)-1.5
[应用]FDP,solarcell,微电子集成电路绝缘物刻蚀
匹配网络
基片
绝缘基片架
匹配网络
射频偏置电源
射频放电电源
图21双频等离子体源示意图
射频放电电源的频率较高,射频鞘层电位降小,
等离子体密度高
[应用中问题1----功能解耦]
●高频电源的功能是产生等离子体;
●低频电源的功能是产生偏压,不影响密度。
(700KHz偏置电源对密度没有影响)(700KHz偏置电源对对密度有影响)
[应用中问题2----驻波效应]
●驻波效应示意图
●驻波效应传输线模型
●驻波效应----电压径向分布
●驻波效应----解决方法一例
轴向电场强度分布
平板电极高斯型弯曲电极
平板电极放电离子饱和流径向分布
高斯型弯曲电极离子饱和流的径向分布
7.射频放电同直流、低频放电的比较:
直流放电:
在电源电压的作用下,等离子体中有“实在电流”---
传导电流流向电极。
等离子体中电流与电源电流相等。
50Hz或低频放电:
频率的周期比等离子体中多数物理过程的时间长得多,此放电作为电压变化的直流放电。
射频放电:
电极的电压频率高,振荡周期可以和离子穿越等离子体鞘层所需的时间相比拟。
该条件下,等离子体(鞘层)中的传导电流小于电源中传导电流。
等离子体鞘层中位移电流占主导地位,射频输入功率受完全受位移电流而不是实在传导电流的支配,因而物理过程就完全不同。
直流放电功率损耗方式:
欧姆加热
射频放电功率损耗方式:
随机加热
1-8-2感性耦合射频等离子体
1.非CCP射频等离子体分类
依据:
感应天线的不同,有无磁场
三种:
(1)ICP等离子体,天线有柱面和平面两种天线长度远小于射频波长
(2)螺旋共振(HelicalResonate,HR)等离子体,天线长度与射频波长相等或为其二分之一、四分之一(参见图)
(3)螺旋波(Helicon)等离子体,工作时需要外磁场,可以用与ICP源相同的单匝、多匝天线,为了激发单一极性的螺旋波,需要采用扭转天线。
图22螺旋共振等离子体源
其与通常的ICP源不同,螺旋共振源无需阻抗匹配网络,通过射频源与天线的接点而达到“共振”工作状态。
天线长度不同,其两端的电连接不同:
(a)全波长(
),天线两端接地;(b)半波长(
),天线两端悬空;(c)四分之一波长(
),一端接地,一端悬空。
2.感性等离子中容性耦合
原因:
感应天线上总存在着射频电压
耦合路径:
射频天线→通过空气间隙→耦合窗口→等离子体流→地电极。
匹配网络
容性耦合:
产生径向、轴向射频电场、电流
感性耦合:
产生角向轴向射频电场、电流
(a)
危害:
窗口溅射,污染
解决方法
a.法拉第屏蔽
同轴传输线
匹配箱
射频感
应天线
法拉第
屏蔽
绝缘隔离
射频
电源
石英窗口
真空室
(a)法拉第屏蔽ICP源(b)法拉第屏蔽顶视图
图28
磁增强ICP等离子体源
b.磁场控制(韩国)
石英窗口悬浮电压(V)
线圈电压(KV)
020406080
磁场强度(高斯)
020406080
[原因分析]
相同功率下,线圈射频电压
随外加磁场强增加而降低。
c.增加石英窗口厚度d
d增加→
降低→窗口容抗增加→窗口射频压降增加→等离子体与地电极射频压降降低→窗口自偏压降低
d.降低天线电感(单匝线圈)
降低→天线射频电压降低
3.ICP天线的电场
的分布(放电时)
(1)径向
2)轴向
电场强度
正常趋肤层
反常趋肤层
轴向分布
(3)角向
电场强度
角向分布
电场角向分布的形成原因?
天线的对称性:
(a)几何对称
(b)电流不对称
(电气不对称)
电流分布
电压分布
天线长度
造成的结果:
等离子体密度分布角向不均匀分布
[解决方法]
(1)使用多匝天线,
(2)多层补偿天线(p547,Fig.1)
4.等离子体的密度空间分布
(1)径向
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