电极输入参量对电负性NF3等离子体电子密度的影响

唐中华

（南京三乐集团有限公司，南京 210000）

0 引言

反应等离子体在材料制备工艺尤其在刻蚀和沉积方面[1-4]得到广泛应用。电子密度是等离子体信息的基础元素，原子的激发、等离子体中物质种类的产生速率都与电子密度有关，同时刻蚀速率、沉积速率也都与电子密度紧密联系，对电子密度的诊断是了解和控制反应等离子体的一个重要问题。三氟化氮（NF3）作为一种新型的刻蚀气体[5]，具有很高的刻蚀速率[6]，有望成为一种干气体刻蚀剂的特殊气体，但是NF3可利用的数据[7-8]和处理方面的经验比较少，对NF3等离子体电子密度的研究也成为不可或缺的方面。

目前，对电子密度测量有许多诊断方法，如朗缪尔探针[9]、微波干涉法[10-11]、等离子吸收探针[12-14]、微波共振探针[15-17]。目前，运用最为广泛的是朗缪尔静电探针，但是传统的探针普遍用于电正性等离子体电子密度的测量，在电负性等离子体以及沉积、刻蚀等离子体工艺应用中，探针的电阻特性会受到严重干扰，以至于增加了I-V特性曲线的分析难度，难以得到准确的电子密度测量，因而难以反应等离子体内部的真实特性。为了能准确测量电负性等离子体中的电子密度，研究者开发了基于网络分析仪的微波共振探针技术。微波共振探针在测量等离子体电子密度过程中，所得数据的变化主要依赖于等离子体内部参数的改变导致探针之间介质介电常数的变化，其他因素几乎不影响微波探针的诊断，因此微波共振探针的诊断方法在电负性等离子体的测量中能够有效利用。考虑到NF3等离子体的电负性，决定采用微波共振探针对NF3等离子体中电子密度进行测量，研究容性耦合放电中上下电极功率变化对其电子密度的影响。

微波共振探针经历了从有到无、简单到成熟的过程。1976年，Stenzel[15]首次提出微波共振探针，并以此测量低气压下等离子体电子密度，这实质上是1根一端开口另一端相连、1/4波长的传导线，其共振频率与周围介质的相对介电常数有关；Piejak等[16-17]在Stenzel的基础上改善了探针结构，提高了信噪比，同时使用流体模型首次提出对探针进行鞘层修正，次年又运用发夹探针对射频等离子体进行测量；Haas等[18]也对发夹探针的电子和离子鞘层影响进行了研究；Karkari等[19]使用悬浮发夹共振探针直接测量双频容性等离子体的空间电子密度；邹帅等[20]和唐中华等[21]使用悬浮微波共振探针与双探针测量相比较，证实了微波共振探针在电负性气体中测量低电子密度的准确性和可实施性；Sands等[22]所在的研究小组分别对高气压等离子体密度的诊断做理论与实验的系统研究[23-24]；Liang等[25]使用螺旋型微波共振探针解决了传统探针无法测量高频等离子体密度的问题。

三氟化氮（NF3）作为一种新型的刻蚀气体[5]，具有很高的刻蚀速率，在刻蚀过程中电负性等离子体的电子密度、活性基团的比例、离子轰击能量是多晶硅表面干法制绒的重要因素。等离子体中的电子输运到鞘层边界，在射频场中获取能量并反弹进入等离子体后，与背景气体分子发生振动与转动激发、电离以及吸附分解等一系列碰撞反应，这些化学反应机制深刻的影响着等离子体中的电子密度，因此电子密度的测量有助于理解等离子体中电负性气体发生化学反应。基于网络分析仪采用悬浮微波共振探针，测量40.68 MHz激发的容性耦合NF3等离子体的电子密度，并考虑鞘层进行修正，详细测量了上下电极输入功率的参数变化对等离子体电子密度的影响。

1 微波发夹探针测量原理

图1为传统发夹探针的简易图，（a）为发夹探针；（b）为探针侧面图，传统微波共振探针是1根一端开路，一端短路的1/4波长的传导线（l为探针长度），微波从z=-l处入射，在z=0处发射，电子密度ne可以通过fr和f0简单的表示[7]：

式中：ne为电子密度的，1010cm-3；fr、f0分别为探针在等离子体与真空中的振动频率，GHz。

在低电子密度情况下（如电子密度ne=109cm-3，电子温度Te=2 eV），鞘层厚度达到毫米量级，此时鞘层在探针之间的介质中占有重要作用，严重影响了介电常数的数值大小，因此在这种情况下，就有必要考虑到鞘层影响的存在。悬浮探针的设计使得探针处于悬浮状态，其电势也将随等离子体变化，通过鞘层的射频电势也可以忽略不计，因此可以使用一般的鞘层修正就可以得到更准确的等离子体密度。考虑到鞘层存在的影响，等离子体密度可以修正为：

图1 传统发夹探针的简易图Fig.1 Traditional hairpin probe simple drawing

2 实验装置

2.1 容性耦合等离子体反应装置及光谱仪

实验中使用的容性耦合等离子体反应装置如图2所示。反应腔器的内径为350 mm，内部装有两个平行板电极，上电极直径为220 mm，下电极直径为200 mm，上、下电极板通有水冷循环。施加的射频电源由1个信号源和1个功率放大器组成，通过1个阻抗匹配器连接到上、下电极，信号源可输出2～40.68 MHz的射频信号。匹配网络呈‘L’型，包括两个可调电容和1个固定电感。所有的射频传输线都采用镀银的同轴电缆并尽可能短，这样可以减少射频功率在传输过程中的损耗。

实验中两电极板之间的距离固定为30 cm，上极板输入主电源频率为40.68 MHz的射频功率，下电极通常接2/13.56 MHz的射频电源作为次电源或者接地（未特别说明时通常与实验室地线相连），使用气体为纯NF3，通过流量计输入到真空室中。腔室的抽气系统由分子泵和机械泵联合组成，本底真空为5×10-3Pa。

图2 容性耦合等离子体（CCP）反应装置示意图Fig.2 Schematic diagram of capacitively coupled plasma equipment

实验采用安捷伦公司生产的N5230A型矢量网络分析仪，扫描频率范围为300 kHz～20 GHz。

2.2 悬浮微波共振探针

图3为采用的悬浮微波共振探针的几何结构示意图。工作原理是：微波信号源驱动小幅度的交流电，从U型探针底部处附近的小直径的激发小环处流过，相关的交变磁场耦合能进入发夹探针中；在发夹开口处共振时，探针的电磁场就大幅度增加，发夹探针上会有驻波产生，此时在开口处的电压、电流达到最大值（最小值），而探针底部短路处的电压、电流达到最小值（最大值），在这样的共振环境下，发夹向周围环境微弱地传播能量；没有共振时，几乎从源头入射的所有能量都被反射回去；通过观测发夹探针的共振频率的偏移即可计算出等离子体中大致的电子密度。主传输线采用的是阻抗值为50 Ω的RG223型同轴电缆线，直径为1 mm传输芯线弯曲成两匝中心半径为1.75 mm的感应线圈。U型发夹探针采用直径为0.15 mm的镀银钨丝制作而成，间距为5 mm，长度为33 mm左右，通过AB环氧树脂胶密封在同轴电缆线的聚四氟乙烯绝缘层末端，U型探针平面离开感应线圈一端平面约1 mm左右，以保证合适的感应电位，从而在测量S11参量信号时能得到较高的信噪比。

图3 微波共振探针几何结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the microwave resonator probe

3 实验结果及讨论

3.1 Ar等离子体中微波共振探针与双探针的测量结果对比验证

微波共振探针在测量等离子体电子密度过程中，所得数据的变化主要依赖于等离子体内部参数的改变导致探针之间介质介电常数的变化，其他因素几乎不影响微波探针的诊断，为了验证在等离子体电子密度测量中微波共振探针测量结果的准确性，在Ar等离子体的同一放电环境下分别使用微波共振探针和朗缪尔双探针进行电子密度的测量，并将两者的测量结果进行比较。

实验中容性耦合Ar等离子体使用40.68 MHz射频源激发，射频输入功率为100 W，固定气压2.0 Pa，结果如图4所示，（a）两个峰分别为微波共振探针（HP）在真空和Ar等离子体中的共振吸收信号；（b）为微波共振探针（HP）和双探针（DP）测得的电子密度对比图。

图4 Ar等离子体中微波共振探针与双探针的测量结果对比验证图Fig.4 The measurement results of microwave resonance probe and double probe inAr plasma are compared

从图4（a）中可以看出相对于真空中的共振峰，等离子体中的共振峰有一定的偏移，根据共振峰的偏移通过公式可以粗略计算出等离子体电子密度，考虑到等离子体中共振探针表面鞘层的存在，需要等离子体密度的计算结果进行修正，使用式（2）进行修正后可得到较为精确的电子密度。图4（b）可以看出等离子体电子密度较低时，微波共振探针和双探针两者的测量结果基本一致，电子密度比较高时显示出略有差异（两者最大差距也仅仅21%）。因此认为电子密度较低时，微波共振探针技术可以是一种可靠的等离子体电子密度测量手段。

3.2 改变下电极功率

实验中向真空腔室通入纯NF3气体，通过质量流量计固定NF3气体流量60 mL/min，通过调节图2中抽气泵阀门使放电气压分别为1 Pa和5 Pa，上电极连接40.68 MHz的射频电源、保持上电极功率150 W不变，下电极连接2 MHz或者13.56 MHz的低频射频源，调节下电极功率使之逐步提高，利用悬浮微波共振探针测得不同下电极功率时的电子密度。

考虑到鞘层对电子密度的影响，对共振探针直接测得的电子密度进行修正。纯NF3气体放电时，在电子碰撞作用下NF3能分解成NFx形势的子产物，并且这些子产物会发生重组反应[6]：

式（3）、式（4）这些反应直接导致N2的大量生成。因此可以认为，在纯NF3放电形成的等离子体中主要的阳离子是由此认为进入到鞘层中的平均离子质量通过分别对下电极2 MHz和13.56 MHz时利用微波共振探针测得的电子密度进行修正，修正后的电子密度大约为修正前的2.5倍，修正后结果如图5所示。可以看出，下电极连接2 MHz或者13.56 MHz的低频射频源，当下电极功率增加时，电子密度都虽略有升高，但是变化幅度都很微小；相比于两个不同气压，相同条件时高气压的电子密度小于低气压的电子密度。

根据图5的数据计算出，下电极连接2 MHz射频源时电子密度变化率分别为681.6 m-3·W-1（1 Pa）、428.4 m-3·W-1（5 Pa），下电极连接13.56 MHz射频源时电子密度变化率分别为 90.6 m-3·W-1（1 Pa）、321.3 m-3·W-1（5 Pa），电子密度的变化率更直观地表明，NF3容性耦合等离子体电子密度受到下电极低频射频源功率的影响微小。认为这是由于增加下电极的功率，提高了等离子体中离子轰击极板的通量和能量，使得生成的二次电子增多，而一部分二次电子又参与了源气体的分解和激发，因此电子密度的增加很微小，下电极功率的增加对电子密度的贡献很小。同时在图5（a）、（b）对比也可以看出，下电极输入相同功率时，下电极连接2 MHz与13.56 MHz射频源所对应的电子密度是相近的，这说明下电极低频射频源的频率对电子密度没有实质性影响。

图5 在上电极40.68 MHz功率源驱动的下电极不同放电功率时NF3等离子体的电子密度曲线Fig.5 The electron density of NF3plasma at different discharge power at the bottom electrode driven by 40.68 MHz power source

从总体而言，当下电极连接低频射频源时，下电极输入功率的变化或者下电极低频射频源的频率变化对NF3容性耦合等离子体密度影响不大。

3.3 改变上电极功率

向真空腔室中通入纯的NF3气体，上电极连接40.68 MHz的高频射频源，射频源驱动功率为50～210 W逐渐改变，下电极接地。利用微波共振探针测出1 Pa和5 Pa时不同驱动功率下等离子体的电子密度，并使用式（2）修正方法对电子密度进行鞘层修正，修正后的结果大约为修正前的5倍，修正后的结果如图6所示。可以看出，随着上电极驱动功率的增加，在1 Pa和5 Pa环境下电子密度都有明显升高。两个不同气压相比，相同条件时高气压的电子密度小于低气压的电子密度，这一点也与图5相吻合。这是因为随着气压增大，电子的平均自由程也随之减少（λen=4.40/p）[26]，在一个自由程内电子从电磁场中获得的能量降低，同时气压的升高使得电子与中性粒子的碰撞几率大幅增加，电子与周围粒子频繁的碰撞使电子不断地产生能量损失和能量交换，也就无法获得足够的能量来离化源气体分子，气体分子被分解电离的有效碰撞减少，因此随着气压的增大电子密度会逐渐减小

图6 上电极功率变化对NF3等离子体电子密度的影响曲线Fig.6 the influence of the top electrode power change on the electron density of NF3plasma

根据图6数据可计算出，随着上电极高频射频源功率的升高，电子密度变化率分别为1 616.25 m-3·W-1（1 Pa）、1 137.875 m-3·W-1（5 Pa），可以说无论高气压还是低气压，上电极功率的变化对NF3等离子体电子密度的影响比较大。这是因为射频源输入功率的增加使得电子在一个自由程内获得的能量增加，提高了电子与中性粒子碰撞时中性粒子的激发机率和分解机率。因此随着上电极功率的增加，等离子体中电子密度不断升高，上电极功率对NF3容性耦合等离子体有较大的影响。

图6的结果显示，在NF3容性耦合等离子体中，上电极输入（主功率电源）功率增加时，NF3容性耦合等离子体的电子密度有明显提高。结合图5和图6相同条件下两种气压时的电子密度可以看出，NF3等离子体的电子密度相同条件时高气压的电子密度小于低气压的电子密度。

4 结论

通过改变下电极次功率电源的输入功率和频率、上电极主功率电源的输入功率时，利用微波共振探针分别测量NF3容性耦合等离子体在气压为1 Pa和5 Pa时的电子密度。实验结果表明：

（1）下电极连接2 MHz射频源时电子密度变化率分别为 681.6 m-3·W-1（1 Pa）、428.4 m-3·W-1（5 Pa），下电极连接13.56 MHz射频源时电子密度变化率分别为90.6 m-3·W-1（1 Pa）、321.3 m-3·W-1（5 Pa），NF3容性耦合等离子体电子密度受到次功率电源的低频射频源功率的影响微小；

（2）随着上电极高频射频源功率的升高，电子密度的变化率分别为：1 616.25 m-3·W-1（1 Pa）、1 137.875 m-3·W-1（5 Pa），主功率电源高频射频功率的变化对NF3等离子体电子密度的影响比较大，可以认为主功率电源输入功率的改变对NF3等离子体密度起决定性作用；

（3）相同条件的电源输入功率和输入频率时，NF3容性耦合等离子体的电子密度在高气压的电子密度小于低气压的电子密度。

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