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射頻放電等離子體一般有兩種不同的激發方式,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幾個eV甚至更高,可以借助電子的高活性促進反應的進行,且不會對材料本底造成破壞,因此被廣泛應用于材料表面改性等領域。對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)源的基本放電結構如圖1.1所示,將射頻電源施加在兩個平行板電極上,組成類似電容結構的放電裝置。兩個電極之間的放電區的結構為:鞘層/等離子體/鞘層,類似于三明治結構。CCP源的可控參數通常有放電功率、工作氣壓、平行板電極面積、電極間距等,通過對上述放電參數的調節使放電性質得以改善,從而滿足實際的工藝需求。為了實現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,當兩個電極的大小完全相同時,為對稱的CCP,如圖1.1(a)所示,否則為非對稱的CCP,如圖1.1(b)所示。在非對稱CCP中,射頻電源被施加在面積較小的驅動電極上,而接地電極的面積遠大于驅動電極,因此由于兩電極不對稱,將導致兩側鞘層中的電壓降不相等,即驅動電極附近的鞘層厚,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,在驅動電極一側會形成一個較大的直流自偏壓。一般會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,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構示意圖:(a)對稱電極結構;(b)非對稱電極結構

感性耦合等離子體源

ICP源是在頂端或側壁處放置的射頻線圈,該線圈由射頻電源來驅動,然后將交變的射頻電流輸入線圈,在反應器中產生交變磁場,交變磁場會感應出交變電場,并通過感應電場,使反應器中的背景氣體電離,以產生等離子體。通常,ICP采用頻率為13.56MHz的射頻電源,由于射頻電場沿著環向,被電場加速的電子也主要是沿著環向運動,與中性粒子碰撞的機會較多,因此可以在低氣壓下大范圍內獲得均勻的高密度等離子體。

根據放電線圈的形狀和位置的不同,應用中的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面,構成螺旋柱狀線圈,如圖1.2所示。一般利用石英介質窗將放電腔室和線圈分離。由于此時的射頻源的發射天線纏繞在絕緣真空腔室外邊,當通過匹配網絡把射頻功率施加到天線上時,天線中就會有射頻電流通過并產生射頻磁通,在真空容器的內部沿著圓筒形容器的角方向感應出射頻電場,從而擊穿放電氣體產生等離子體。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,電子的加速機制與螺旋柱狀線圈相同,可以通過天線的結構來調控等離子體的均勻性。

圖1.2感性耦合等離子體源結構示意圖:(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)將會產生一個交變的磁場(沿徑向和軸向的兩個分量),這個變化的磁場又將會產生一個變化的射頻電場(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生類似CCP放電中的靜電場,因此稱放電為容性或靜電模式(Emode)。ICP具有放電氣壓低(<50mTorr)、裝置結構比較簡單、無需外加磁場等優點,因此被廣泛地應用于半導體工業中多晶硅和金屬的蝕刻。