射频放电等离子体一般有两种不同的激发方式,分别为电感耦合等离子体和电容耦合等离子体,其可在低气压下产生高密度的等离子体。射频等离子体中的电子能量通常可达几个eV甚至更高,可以借助电子的高活性促进反应的进行,且不会对材料本底造成破坏,因此被广泛应用于材料表面改性等领域。对于射频等离子体源而言,常见的等离子体源有容性耦合等离子体源、感性耦合等离子体源。

容性耦合等离子体源

射频容性耦合等离子体(Radio-requency Capacitive Coupled Plasma,RF-CCP)源的基本放电结构如图1.1所示,将射频电源施加在两个平行板电极上,组成类似电容结构的放电装置。两个电极之间的放电区的结构为:鞘层/等离子体/鞘层,类似于三明治结构。CCP源的可控参数通常有放电功率、工作气压、平行板电极面积、电极间距等,通过对上述放电参数的调节使放电性质得以改善,从而满足实际的工艺需求。为了实现各向异性的刻蚀工艺,通常选用较低的放电气压10~100mTorr,射频频率为1~100MHz,电极间距为1~5cm,当两个电极的大小完全相同时,为对称的CCP,如图1.1(a)所示,否则为非对称的CCP,如图1.1(b)所示。在非对称CCP中,射频电源被施加在面积较小的驱动电极上,而接地电极的面积远大于驱动电极,因此由于两电极不对称,将导致两侧鞘层中的电压降不相等,即驱动电极附近的鞘层厚,电位降大;而接地电极附近的鞘层薄,电位降小。为了维持电流平衡,在驱动电极一侧会形成一个较大的直流自偏压。一般会将被处理的工件置于面积较小的电极上,这样就可以有效利用鞘层的自偏压,提高表面处理工艺的效率。在射频放电中,典型射频电源的频率为13.56MHz,电子密度与射频频率有关,其放电密度较低,一般在10¹⁵~10¹⁷m^-3之间。但在某些特殊情况下,放电频率则会选用大于13.56MHz的频段,甚至更高(称为甚高频CCP)。

图1.1  射频容性耦合等离子体放电结构示意图:(a)对称电极结构;(b)非对称电极结构

感性耦合等离子体源

ICP源是在顶端或侧壁处放置的射频线圈,该线圈由射频电源来驱动,然后将交变的射频电流输入线圈,在反应器中产生交变磁场,交变磁场会感应出交变电场,并通过感应电场,使反应器中的背景气体电离,以产生等离子体。通常,ICP采用频率为13.56MHz的射频电源,由于射频电场沿着环向,被电场加速的电子也主要是沿着环向运动,与中性粒子碰撞的机会较多,因此可以在低气压下大范围内获得均匀的高密度等离子体。

根据放电线圈的形状和位置的不同,应用中的ICP源主要分为以下两种:一种是将射频线圈缠绕在放电腔室的侧面,构成螺旋柱状线圈,如图1.2所示。一般利用石英介质窗将放电腔室和线圈分离。由于此时的射频源的发射天线缠绕在绝缘真空腔室外边,当通过匹配网络把射频功率施加到天线上时,天线中就会有射频电流通过并产生射频磁通,在真空容器的内部沿着圆筒形容器的角方向感应出射频电场,从而击穿放电气体产生等离子体。另一种ICP源将线圈置于腔室的顶部,叫做平面线圈,如图1.2(b)所示,基片放置在下方,真空窗口和基片之间相距大约5~10cm,电子的加速机制与螺旋柱状线圈相同,可以通过天线的结构来调控等离子体的均匀性。

图1.2感性耦合等离子体源结构示意图:(a)柱状线圈,(b)平面线圈

在ICP放电中,线圈中的射频电流(角向)将会产生一个交变的磁场(沿径向和轴向的两个分量),这个变化的磁场又将会产生一个变化的射频电场(沿角向),所以称这种放电是一种电磁模式(Hmode),为感性放电。线圈两端的电压降,可以在放电腔室中产生类似CCP放电中的静电场,因此称放电为容性或静电模式(Emode)。ICP具有放电气压低(<50mTorr)、装置结构比较简单、无需外加磁场等优点,因此被广泛地应用于半导体工业中多晶硅和金属的蚀刻。