Параметры неравновесной плазмы низкочастотных и импульсно-периодических разрядов в электроотрицательных газах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

1 О ФЕВ 1398

имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 533.9

КАЛИНИН АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ПАРАМЕТРЫ НЕРАВНОВЕСНОЙ ПЛАЗМЫ НИЗКОЧАСТОТНЫХ И ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ В ЭЛЕКТРООТРИЦАТЕЛЬНЫХ ГАЗАХ (01.04.08 - физика и химия плазмы)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1998 г.

Работа выполнена на кафедре физической электроники физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

доцент Шибков В.М., кандидат физико-математических наук, снс Ершов А.П.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Сковорода A.A.

кандидат физико-математических наук, Довженко В.А.

Ведущая организация: Институт общей физики РАН (г. Москва)

/4-

Защита состоится J$_ февраля 1998 г. в 1-5-чаеов 30 минут на заседании Специализированного совета К.053.05.22 отделения Радиофизики физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, физический факультет, -i ~/<S

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан января 1998 года.

Ученый секретарь Специализированного совета к.ф.-м.н.

В.А.Кубарев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ' Актуальность темы. Неравновесная плазма электрических разрядов в многоатомных галогенсодержащих газах весьма перспективна для решения целого ряда научных и прикладных задач в области плазменных технологий микроэлектроники, и, в частности, для плазмохимического травления (ПХТ), при котором, в условиях относительно низких средних энергиях активных частиц, достигаются малые радиационные нарушения поверхностных слоев.

Плазмохимические процессы травления различных материалов микроэлектроники являются одними из основных в технологиях производства интегральных схем и их дальнейшее развитие в значительной степени обусловлено прогрессом в понимании физико-химических реакций в плазме и на поверхности. Как правило, в процессе ПХТ участвуют частицы двух видов: химически активные свободные радикалы и ионы. Химическое травление подложки происходит в результате реакций газификации между активными радикалами и поверхностью и имеет преимущественно изотропный характер. Ионы, ускоренные в области катодного пространства перпендикулярно к обрабатываемой поверхности, обеспечивают анизотропное травление.

Проблемы создания интегральных схем сверхвысокой степени интеграции и переход к субмикронным размерам требуют разработки новых технологических процессов. Очень перспективным способом создания глубоких канавок при формировании конденсаторов в микросхемах динамической памяти большой емкости и изолирующих областей является анизотропное травление монокристаллического кремния. Требования, которым должен удовлетворять этот процесс - селективность, скорость, анизотропия - в известной степени противоречат друг другу, поэтому в настоящее время ведется интенсивный поиск путей его оптимизации.

Работа выполнена в рамках Федеральной Целевой Программы "ИНТЕГРАЦИЯ" проект №450 "Создание учебно-научного центра физических основ плазменных и лучевых технологий".

Для эффективного действия анизотропного травления важно устранить химическое травление, которое в атмосфере плазмы фторсодержащих газов осуществляется атомарным фтором. При травлении монокристаллического кремния большая скорость в сочетании с высокой анизотропией были достигнуты в плазме низкочастотного разряда в СГ^Вг. По видимому, это связано с тем, что в разряде СР3Вг высвобождается относительно мало атомарного фтора, однако сложные и многообразные гетерогенные процессы и процессы в самой плазме, сопровождающие травление, остаются практически неизученными.

Первичными актами, приводящими к образованию ионов и радикалов в плазме, являются столкновения электронов с молекулами. Скорости процессов при этом определяются видом функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ). Для численного расчета ФРЭЭ в конкретном газе необходимо знание полного набора сечений упругих и неупругих процессов. Для многоатомных молекулярных газов соответствующие данные, как правило, отсутствуют, и поэтому первостепенное значение приобретает экспериментальное определение вида ФРЭЭ.

Одним из методов исследования плазмы, без использования которого невозможно получить детальную информацию о ее микроскопических характеристиках, равно как и о механизмах рождения и гибели заряженных частиц, является метод зондов Ленгмюра, который тщательно разработан и апробирован для плазмы одноатомных электроположительных газов. В последнее время, однако, появилось значительное число работ, в которых зон-довая методика применена для диагностики плазмы электроотрицательных молекулярных газов (О2, СГ^, С/Д используемых в технологиях ПХТ, причем эксперименты проводились как в сверхвысокочастотных (СВЧ), высокочастотных (ВЧ) так и в низкочастотных (НЧ) разрядах.

Следует отметить, что в работах, посвященных диагностике плазмы реакторов ПХТ зондовыми методами, совершенно не обсуждается специфи-

ка применения метода зондов для диагностики плазмы электроотрицательных молекулярных газов, хотя присутствие отрицательных ионов и сложных молекул может в значительной степени изменить предположения, заложенные в классическую методику и сделать традиционные способы обработки зондовых характеристик совершенно неприемлемыми.

Таким образом, проблема корректного определения методом зондов параметров плазмы электроотрицательных молекулярных газов, применяемой в установках ПХТ, в настоящее время не может считаться разрешенной. Дальнейшее усовершенствование зондового метода, распространение области его применимости на нестационарную, неравновесную, анизотропную, шумящую плазму также является актуальной задачей.

Одной из важных задач физики газового разряда является разработка методов создания плазмы с наперед заданными свойствами и поиск способов эффективного управления ее параметрами, что позволяет целенаправленно влиять на рабочие характеристики газоразрядных устройств. Одним из возможных решений указанной проблемы может быть использование импульсной модуляции тока разряда.

Импульсная модуляция дает возможность исследовать законы релаксации параметров плазмы в активной фазе разряда (включая стадию пробоя) и в стадии послесвечения плазмы, а также "разрешить" во времени различные физические процессы и тем самым определить их вклад в то или иное исследуемое явление. Эти данные могут быть использованы для повышения эффективности, например, лазерной генерации, для увеличения световой отдачи газоразрядных источников света и для других устройств, работающих в импульсном режиме. Существенный интерес представляет возможность использования импульсно-периодических разрядов в реакторах для плазмохи-мического травления - вместо традиционно применяемых ВЧ-разрядов.

Целью работы является: - определение с временным разрешением параметров плазмы, включая

ФРЭЭ, низкочастотного разряда в смеси СРзВг/Аг в плазмохимическом реакторе диодного типа;

- исследование существенно неравновесной функции распределения электронов по энергиям в начальной стадии импульсного разряда и ее релаксации к стационарному виду;

- оценка перспективности применения импульсно-периодических разрядов в установках ПХТ;

- изучение особенностей применения метода зондов для диагностики нестационарной плазмы сильно электроотрицательных молекулярных газов.

Научная новизна. Впервые измерены концентрации заряженных частиц, средняя энергия и функция распределения электронов по энергиям в плазмохимическом реакторе диодного типа в смеси СР^Вг/Аг при изменении содержания от 0 до 100% при условиях, близких к оптимальным для

скорости и качества процесса травления.

Измерена временная эволюция функции распределения электронов по энергиям в плазме импульсно-периодического разряда в гелии и водороде различными методами (оптическим, зондовым, методом селекции электронов по скоростям поперечным магнитным полем и методом задерживающих потенциалов). Установлена зависимость вида ФРЭЭ от давления газа, величины прикладываемого к разрядному промежутку напряжения, частоты и скважности разрядных импульсов.

Показано, что метод зондов Ленгмюра может успешно применяться для диагностики плазмы в установках ПХТ на основе НЧ-разрядов.

Практическая ценность работы определяется рядом применений газоразрядной плазмы электроотрицательных газов в различных приборах и устройствах, прежде всего в качестве активной среды реакторов для плазмохи-мического травления с преобладанием ионного механизма обработки. Результаты данной работы являются научным фундаментом для проведения количественных измерений параметров плазмы НЧ-разрядов, применяемых в

установках ПХТ с целью контроля и оптимизации режимов их работы, а также представляют самостоятельный научный интерес, способствуя развитию физики и химии плазмы.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Впервые экспериментально установлены зависимости концентраций заряженных частиц, средней энергии электронов, электрического поля и вида функции распределения электронов по энергиям в смеси СГ3Вг/Аг в диодном плазмохимическом реакторе при изменении содержания СЕ3Вг от 0 до 100%. Сравнение полученных результатов с известными данными позволяет сделать вывод о том, что СЕ^Вг находится по параметрам плазмы в одном ряду с такими сильно электроотрицательными газами как 57*6 и СР4.

2. Показано, что в стадии пробоя импульсного разряда функция распределения электронов по энергиям сугубо неравновесна, обогащена быстрыми электронами и вид ее зависит от давления газа и приложенного к разрядному промежутку напряжения. Энергия электронов, соответствующая максимуму функции распределения, с ростом напряжения на разрядном промежутке и уменьшением давления газа смещается в сторону больших значений.

3. Показано влияние заряженных и возбужденных долгоживущих частиц, находящихся в разрядном промежутке на формирование функции распределения электронов по энергиям, что позволяет эффективно управлять ее видом посредством изменения частоты и скважности импульсов тока разряда и может использоваться для управления параметрами активной среды в реакторах плазмохимического травления.

4. Показано, что метод зондов Ленгмюра может успешно применяться для диагностики параметров плазмы в плазмохимических установках на основе низкочастотных и импульсно-периодических разрядов в электроотрицательных газах. Однако при использовании данного метода в условиях относительно высоких давлений рабочего газа и больших мощностей, обеспе-

чивающих оптимальную скорость травления, необходимо учитывать влияние толщины слоя объемного заряда, эффект стока электронов на зонд, конечность сопротивления плазмы, ее анизотропию и значительный уровень плазменных шумов.

Апробация работы. Основные материалы диссертации опубликованы в работах [1-9] и докладывались на Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (Рига, 1991) и VIII Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Минск, 1991), на научных семинарах кафедры физической электроники физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова, Института общей физики РАН и РНЦ "Курчатовский институт".

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, в котором сформулированы основные выводы, списка цитируемой литературы из 74 наименований. Содержание работы изложено на 110 страницах основного текста и проиллюстрировано 44 рисунками. Общий объем диссертации составляет 140 листов.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность решаемых в диссертационной работе проблем, сформулированы ее цели, научная новизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту. Приводится краткое содержание работы.

В первой главе диссертации описаны реакторы, используемые в технологиях ПХТ. Приводятся некоторые усредненные по времени параметры -распределение электрических полей и мощности в разряде, ФРЭЭ и концентрация электронов в плазме НЧ - реактора диодного типа. Сравниваются данные теоретических расчетов и экспериментальных измерений ФРЭЭ и концентраций электронов. Приводятся результаты ряда работ по определению концентрации отрицательных ионов в разрядах электроотрицательных газов. Анализируются работы, в которых обсуждаются особенности зондо-

вой диагностики применительно к плазме электроотрицательных молекулярных газов.

Во второй главе рассмотрены особенности использования зондового метода применительно к нестационарной, неравновесной и анизотропной плазме НЧ и импульсно-периодических разрядов.

При диагностике параметров нестационарной плазмы НЧ и импульсно-периодических разрядов возникает необходимость в проведении разрешенных во времени зондовых измерений в произвольной фазе разряда. Описана измерительная установка, разработанная с учетом указанных особенностей, обеспечивающая временное разрешение ~10"7с при снятии зондовой В АХ и ее производных. Показано, что применение зондовой цепи специальной конструкции и устройства выборки-хранения значительно улучшает отношение сигнал-шум и повышает чувствительность установки в целом.

Анализ режима работы зонда позволил сделать следующее заключение. Характерными особенностями рассматриваемой плазмы электроотрицательных газов являются низкие значения концентрации электронов пе и наличие значительных шумов разряда. Малость пе не только приводит к значительному увеличению электронного дебаевского радиуса, но и диктует - в условиях интенсивных шумов - необходимость увеличения поверхности зонда для обеспечения приемлемого отношения сигнал/шум. Поскольку процесс травления в реакторах диодного типа проводится при повышенных давлениях р>0.1 Тор, классические условия применимости метода зондов Ленг-мюра нарушаются, и зонд работает в режиме, переходном между бесстолк-новительным и диффузионным. В этом случае при обработке электронной ветви ВАХ обязателен учет эффектов, связанных с конечностью отношения длины свободного пробега электронов к радиусу зонда - так называемого эффекта стока электронов на зонд и конечного сопротивления плазмы.

Известно, что наиболее важные с точки зрения плазмохимии параметры - частоты неупругих процессов вызываемых электронным ударом - опре-

деляются только изотропной частью ФРЭЭ. При умеренной степени анизотропии при разложении ФРЭЭ в ряд по полиномам Лежандра можно ограничиться четырьмя первыми слагаемыми, а в разложении электронного тока на цилиндрический зонд существенны лишь два слагаемых пропорциональных изотропной части ФРЭЭ и ее второму моменту. При ориентации оси цилин-

сгО

дрического зонда под 55 по отношению к выделенному направлению второй момент ФРЭЭ обращается в нуль, и тогда можно измерить изотропную часть ФРЭЭ с достаточной для практики точностью не прибегая к трудоемким измерениям при различных ориентациях зонда по отношению к выделенному направлению и сложным вычислениям.

При диагностике параметров нестационарной плазмы в реальном масштабе времени и при наличии в данных существенного нерегулярного шума, свойственного разрядам в электроотрицательных газах, существенно возрастают сложности в обработке и в интерпретации получаемых результатов. Применение чисто радиотехнических способов для выделения гармоник производных зондового тока зачастую оказывается неэффективным: время необходимое для получения информации об изучаемом процессе становится сравнимым с его характерными временами. Например, при диагностике параметров плазмы в реакторе ПХТ при использовании традиционного модуляционного метода второй производной требуется около двух минут для проведения одного цикла измерений, в то время как сам процесс травления, в ходе которого параметры плазмы значительно изменяются, занимает от десятков секунд до нескольких минут. В то же время, для снятия ВАХ зонда достаточно нескольких секунд. Так же необходимо учитывать, что измеренная вторая производная представляет собою свертку истинной ФРЭЭ и аппаратной функции метода, вид которой определяется формой и амплитудой дифференцирующего сигнала и требует для нахождения ФРЭЭ дополнительной обработки. Наиболее рациональным представляется восстановление ФРЭЭ из электронного тока путем решения некорректной обратной задачи

вида $А(Е,У)/0(Е)с?Е = ЦУ), где А(Е,У) - ядро интегрального уравнения;

/0(Е) - искомая ФРЭЭ; ЦУ) - зависимость электронного тока на зонд от напряжения между зондом и опорным электродом, с использованием метода регуляризации А.Н.Тихонова. Показано что использование регуляризующего алгоритма с автоматическим выбором величины параметра ограничения по квазиоптимальному критерию (по критерию минимума эмпирического риска) позволяет эффективно восстанавливать ФРЭЭ при значительных шумах во входных данных, характерных для измерений в реакторах ПХТ (амплитуда шума -10-15% от значений зондового тока).

Для выбора оптимальной сложности задания ядра проводится сравнение результатов численного моделирования электронного тока на зонд методом Монте-Карло с результатами расчетов с учетом стока электронов на зонд при различных видах ядра А{Е,У).

Установлено, что если толщина слоя пространственного заряда (СПЗ) мала по сравнению с размером зонда (г^.ОЗа где г^ - радиус Дебая, а - диаметр зонда), то применение простейшей теории стока для определения температуры электронов приводит к ошибке не более 10% в характерном для условий ПХТ диапазоне отношений Я/а от 0.02 до 6.0 (Л - длина свободного пробега электрона). Влияние толщины СПЗ при г¿яа начинает сказываться только при повышенных давлениях, когда а>5Я, и приводит к занижению находимой при обработке ВАХ электронной температуры на 20-30%. Для упрощения расчетов моделирование проводилось для зонда сферической геометрии.

В третьей главе диссертации представлены результаты измерения параметров плазмы низкочастотного (<100 кГц) разряда в смеси газов СР3Вг/Аг в плазмохимическом реакторе диодного типа.

Природа газа при плазмохимическом травлении - один из важнейших факторов, определяющих характеристики процесса. При травлении моно-

п

кристаллического кремния высокая скорость травления (>0.5 мкм/мин) в сочетании с высокой анизотропией были получены в плазме СР3Вг, создаваемой в реакторе диодного типа с НЧ-питанием. Однако в отличие от других галогенсодержащих газов СР3Вг изучен слабо.

В нашей работе диагностика плазмы смеси газов СР3Вг/Аг проведена при различных процентных содержаниях СР3Вг (0-100%) при суммарном давлении р = 0.5 Тор. Измерения проводились в фазе питающего напряжения

соответствующей максимуму отрицательной полуволны на силовом электроде. Помимо метода зондов, для диагностики плазмы использовался метод масс-спектрометрии.

Приведены результаты измерений концентраций заряженных частиц, средней энергии электронов, электрического поля и ФРЭЭ в зависимости от состава смеси. Показано, что вид функции распределения существенно зависит от того, учитываются ли при обработке зондовых характеристик сток и сопротивление плазмы (на рис. 1: кривая 1 - ФРЭЭ, исправленная с учетом стока и Кга\ кривая 2 - ФРЭЭ, исправленная только с учетом стока; кривая 3 -неисправленная ФРЭЭ (ге"{У))).

Получено, что в чистом аргоне в исследованном диапазоне энергий ФРЭЭ близка к максвелловской, в то время как с ростом парциального давления электроотрицательного молекулярного газа имеет место отклонение от равновесного энергетического распределения (на рис.2: 1 - разряд в Аг, 2 -Аг(50%) + СР3 Вг(50%); 3 - СР3Вг). Найденные ФРЭЭ качественно и количественно коррелирует с рассчитанной Д.И.Словецким ФРЭЭ в СР< в постоянном электрическом поле при значении Е/р, близком к тому, которое имело

Рис.1

место в нашем эксперименте. Увеличение парциального давления электроотрицательного газа приводит к многократному увеличению напряженности поля Е, приведенное значение которого в чистом СРзВг достигает величины ■см . Поведение эффективной температуры электронов Тэфф коррелирует с изменением Е при увеличении процентного содержания СЕ3Вг. Быстрый и монотонный рост напряженности поля сопровождается монотонным увеличением эффективной температуры электронов. При изменении напряженности электрического поля от 0.2 до 30 В/см, эффективная температура электронов изменяется от 1 до 6 эВ. При большом содержании СРзВг зависимости Е и Тэфф от состава смеси испытывают тенденцию к насыщению. Концентрация положительных ионов остается практически постоянной. Абсолютные значения концентраций электронов и положительных ионов отличаются на порядок величины уже при небольшом процентном содержании СР3Вг (<10%). С ростом содержания СРзВг это различие увеличивается, достигая в чистом СРзВг более двух порядков величины (рис.3).

Приведены результаты измерений потенциала пространства и плавающего потенциала в зависимости от состава газовой смеси. В рассматриваемой фазе питающего напряжения для аргоновой плазмы потенциал пространства положителен относительно опорного (заземленного) электрода. Однако при добавлении к аргону даже небольшого количества СРзВг потенциал пространства меняет знак. В чистом СР3Вг он составляет примерно -100 В. Следовательно, на электроды, по крайней мере в течение части периода питающего напряжения, поступает поток отрицательных ионов, причем в силу значительной концентрации последние могут играть заметную роль в процессе травления.

Описаны масс-спектры положительных и отрицательных ионов, пока-

п,сн-3

Рис.3

зывающие чрезвычайно сложный ионный состав изучаемой плазмы. В типичном масс-спектре положительных ионов для плазмы СР%Вг присутствуют ионы СРз (-35% от величины полного тока положительных ионов), СР~ (-20%), СР2 (-10%), СР2Вг+ (-20%), Вг2 (-10%), а также в существенно меньших количествах (десятые доли процента) множество других ионов: С+, С2Р4 , СгР$ , Вг++, СВг*, ВгР*, СРВ г и более сложные, вплоть до С2Р7Вг\ Масс-спектр отрицательных ионов значительно беднее - были зарегистрированы ионы Р (-70%) и Вг (-30%).

По данным масс-спектрометрии рассчитывалась эффективная масса положительного иона, знание которой необходимо для определения концентрации положительных ионов методом зондов.

В четвертой главе изложены результаты по исследованию релаксации основных параметров плазмы в режиме импульсной модуляции разрядного тока. ФРЭЭ определялась методом зондов Ленгмюра. Для нахождения временной эволюции функции распределения зондовые характеристики снимались в различные моменты времени импульса разрядного тока. Для получения информации о функции распределения в начале импульса также использовались: метод задерживающих потенциалов, метод селекции электронов по скоростям с помощью поперечного магнитного поля, оптический метод. Результаты определения ФРЭЭ на стадии пробоя в импульсном разряде, полученные разными методами при аналогичных условиях проведения экспериментов, хорошо согласуются друг с другом.

Установлено, что в стадии пробоя импульсного разряда в гелии при определенных условиях возможно осуществление режима убегания электронов и на начальной фазе разряда (/~(0.1-1)х10"6с) функция распределения сильно обогащена быстрыми электронами, причем с увеличением Е/И доля быстрых электронов возрастает. С увеличением параметра перенапряжения Л=и/и0 (и - напряжение, прикладываемое к разрядному промежутку, и а -минимальное напряжение при котором при данном давлении происходит

пробой), энергия быстрых электронов при и0-350 В возрастает от -25 эВ при Л=1 до ~60 эВ при /1=2.3. По мере релаксации параметров плазмы к стационарному виду доля быстрых электронов уменьшается, тогда как число

медленных электронов возрастает (рис.4). При этом стационарный вид функции распределения, которого она достигает спустя ~3-10"5с, хорошо согласуется с рассчитанным по кинетической модели.

Исследование заселенности радиационных уровней гелия показало, что в стационарной фазе разряда заселенности уровней одной серии равномерно убывают с увеличением главного квантового числа, тогда как в стадии пробоя реализуется инверсная заселенность уровней серий п3П и п Б, обусловленная энергетической зависимостью функций возбуждения уровней и кинетикой функции распределения электронов по энергиям, которая в стадии пробоя сугубо неравновесна и обогащена быстрыми электронами.

Измерения, проведенные зондовым методом при различных по отношению к выделенному направлению ориентациях зонда, а также методом селекции электронов по скоростям с помощью поперечного магнитного поля, показали, что неравновесность функции распределения в стадии пробоя связана с пучком быстрых "убегающих" электронов, формирование которого в гелии возможно при значениях приведенной напряженности электрического поля Е/р>50 В см*1 Тор'1.

Известно, что повторный пробой газа облегчен по сравнению с пер-

0 60 £, эв Рис.4