等离子体的生成方式

第6章等离子体的生成方法6.1各种直流放电方法与放电模式6.2辉光放电与低温等离子体6.3电弧放电与热等离子体6.4高频放电产生等离子体6.5微波放电产生等离子体本章主要内容6.1各种直流放电方法与放电模式•直流放电法–冷阴极放电–热阴极放电–空心阴极放电–磁场辅助放电（磁控管放电）直流放电的特征：1.电极上所加电压在极性上是恒定的，正电位端为阳极、负电位为阴极；2.等离子体的生成与维持主要通过阴极鞘层中的电子加速和等离子体中的焦耳加热来实现；•冷阴极放电与热阴极放电的区别–冷阴极放电依靠阴极的二次电子发射来维持放电，热阴极依靠阴极本身的热电子发射来维持放电；–热阴极放电需要较高的阴极温度（1000‾3000oC），但在低气压（如0.1Pa）下仍能维持放电；–冷阴极放电需要较高的着火电压与放电维持电压（用于加速离子），而热阴极放电的放电维持电压较低；–冷阴极放电器件不需要加热灯丝有较长的寿命，且节能，热阴极放电器件有较高的功率；•空心阴极放电的原理与优点–阴极面积大，易于产生较高的电流密度，从而得到高密度等离子体；–空心阴极放电的阴极属冷阴极，依靠二次电子发射维持放电；–空心阴极有利于提高电离效率•径向电子运动在一定条件下可以维持很长的寿命，从而增加其参与电离的次数（条件：平均自由程大于圆筒半径，阴极表面的鞘层厚度小于圆筒半径，电子在另一侧鞘层内被反射）•阳极面积小，可以减少阳极对电子的吸收，加强放电；•利用磁场的潘宁电离规–PIG,(Penningionizationgauge)；–磁场(～0.1T)辅助放电器件适合用于压强很低情况下（10-4Pa）放电;–磁场起引导作用，使其在两端阴极之间来回运动，增长其寿命，加强放电；–属冷阴极放电，二次电子维持放电；•磁控管放电–属冷阴极放电，二次电子维持放电；–阴极表面的磁场与正交电场使电子产生E×B漂移，电子作旋转式摆线运动，增长了电子的寿命；–主要应用：磁控溅射–参数范围：气压mTorr，放电电压几百伏–高能离子撞击阴极溅射出阴极材料，堆积到对面基板形成薄膜三耙磁控溅射仪•直流放电模式–标准直流放电模式（V-I关系，伏-安特性）提示：电压可调节，电阻会分压•直流放电模式分析–a‾b:放电开始阶段，电流随电压的升高而增加，形成的微弱电流不稳定（暗流）；–b‾c:着火阶段，到达着火电压后，电流迅速增大，c点即放电着火状态；–c‾d:前期辉光放电阶段，电流增大，电压却下降，产生负阻（原因：等离子体密度的增加使等离子体电阻变小）；–d‾e:正常辉光放电阶段，增大电流，电压一定（原因：电流密度一定，导电面积增加）；–e‾f:反常辉光放电阶段，电压随电流增大（导电面积饱和）；–f‾g:过渡到弧光放电；c~f过程可以看到等离子体的辉光现象，故称这种放电为辉光放电（glowdischarge）6.2辉光放电与低温等离子体•辉光（glow）明亮、温暖而又稳定的光；•是直流放电中的一种形态，常见于低温冷等离子体（低温、非平衡）；•日光灯、PDP中的放电都属于辉光放电；•近年半导体加工工艺中用到的高频放电也会产生类似现象，称为射频(RF)辉光放电•辉光放电的放电特征–发光区域的划分–外加直流电压主要加在阴极到负辉区之间(dc)–pdc对应帕邢曲线最小着火电压处的值–负辉区和法拉第暗区出现的理由–正柱区是准中性的等离子体区域–阳极附近存在阳极暗区，是阳极鞘层（电子鞘层）•正柱区的密度分布与能量平衡–负辉区由受阴极鞘层强电场加速的电子所维持；而正柱区是由较弱轴向电场的焦耳加热（电场能转换为热能）效应来维持；–正柱区是最主要的发光区域，因此比较重要；–正柱区的正离子与电子服从双极扩散(径向)，各自数量相等地流向容器壁而消失；–柱形等离子体的密度分布(定常状态)annuDr∂=−∂/0nt∂∂=2210IannnrrrDν∂∂++=∂∂1()Irnunrrν∂=∂(圆柱坐标系中的连续性方程)(双极扩散)(贝塞尔微分方程)00,rnn==(边界条件)00(/)IannJDrν=,0ran==(器壁边界条件)2.41IaDaν=(密度分布)电离频率•Te随pa的增大而降低；•电子通过焦耳加热效应吸收功率•电子功率损失包括弹性碰撞损失和非弹性碰撞损失νI与Da都与电子温度相关/2()IeeTepaTeνκκ∝/IeeTIepTeνκνκ−∝(/)/eiaieeTTDkTeTpµκ=∝时，2.41IaDaν=氦正柱区计算结果absedPJEenEµ==iIeeVnν(2/)(3/2)eeieenmmTνκ(2/)(3/2)edeeieeiIeenuEnmmTeVnνκν=+能量平衡:注意没有负号！6.3电弧放电与热等离子体•电弧放电–气体放电中最强烈的一种自持放电，当电源提供较大功率的电能时，若极间电压不高（约几十伏），两极间气体或金属蒸气中可持续通过较强的电流（几安至几十安），并发出强烈的光辉，产生高温，这就是电弧放电；–电弧是一种常见的热等离子体（Te=Ti，平衡）；–电弧放电最显著的外观特征是明亮的弧光柱和电极斑点，电弧分短弧和长弧；–在外力作用下，如气流、磁场，电弧会迅速移动、拉伸或蜷曲；–电弧放电中阴极电子的发射方式一般为热电子发射或场致发射用于生成碳纳米管的100A电弧体育场用弧光照明系统汽车的氙气灯电弧形貌160kV下的强电弧，电极间距30cm电弧照明电弧喷涂电弧焊接•热电子发射电弧放电–在辉光放电中，随着放电电流的增大，大量高能量等离子体碰撞阴极使其温度上升–阴极热电子发射满足Richardson-Dushman方程，其饱和电子发射流随温度升高而增大–当放电的V-I特性曲线与外电路的负载直线相交时，放电电流趋于稳定–阴极材料选择对实现弧光放电很重要，常见的有钨、钼等Richardson-Dushman方程•场致发射弧光放电–在常温状态下，对阴极表面施加强电场，由于隧道效应，电子从阴极发射出来；–当等离子体电位达到100V以上时，接地等离子体容器内的污染表面容易出现许多闪烁辉点，这也是一种场致发射引起的电弧放电－微电弧；–在很多场合下，热电子发射和场致发射兼有；–典型应用：水银电弧。液体水银作为阴极，水银蒸汽在电场作用下电离，在低电压下能产生kA数量级的电流。在液体表面会有来回闪动的白色光点（阴极辉点），全部放电电流集中在辉点上。水银电弧可用于大电流整流或辐射紫外线消毒等。•为什么要采用高频放电或微波放电产生等离子体–直流辉光放电产生的低温等离子体的密度在1015/m-3左右（较低），工作气压较高，在1Torr左右–直流电弧放电产生的等离子体是热等离子体，多利用其热效应，温度较高–现代LSI制作工艺要求实现超微细、大面积、高速度加工，低温等离子体必须具备低气压（‾1Pa）、大口径/面积均匀（～0.4m）、高密度（‾1017m-3）等特性，同时满足以上三个条件不容易6.4高频放电产生等离子体•低气压、大口径、高密度三个条件之间的矛盾关系–气压越低，由于，双极扩散越快，即电子与离子的损失速率越大，使等离子体密度向降低的趋势发展；–要得到高密度等离子体，需要提高放电功率，但如果提高的功率无法用于电离，仍然是无用的（当鞘层电位差变大，离子经过鞘层被阴极吸收会带走功率）。–气压变低不利于得到高密度等离子体；•高频放电或微波放电方法的优点–可保持较低的等离子体－电极间电位差–有利于提高功率，并提高电子的能量吸收效率–使低气压下产生高密度等离子体成为可能；/aeDTpκ∝•高频电磁场或微波的天线耦合加载方式–高频放电或微波放电是由天线（或电极）从外部得到功率，通过电磁场对电子的加速作用来维持等离子体–天线周围的电磁场由三个不同成分构成321(sin4)1)1(ikrIdzEkkrrAekrθθπ−⎧⎫=−++⎨⎬⎩⎭(由z向电流产生)itIeε三个成分：：电(磁)波ω,r较大占优：感应电场ω,r中等占优：静电场ω,r较小占优200(/,/)Akkcµεω==1kr21()kr31()kr微波段高频段•三种天线耦合方式–三种方式分别应用耦合场中的不同成份–静电耦合主要利用静电场成份来加速电子，又称电容耦合，产生电容耦合等离子体–感应耦合利用感应电场成份，无外加磁场时产生感应耦合等离子体，有外加磁场时产生螺旋波等离子体–电磁波耦合利用电磁波成份为等离子体提供能量，无外加磁场时产生表面波等离子体，有外加磁场时产生电子回旋共振(ECR)等离子体•电容耦合等离子体（Capacitivelycoupledplasma,CCP）CB：直流隔离电容，M.B.(MatchingBox)：匹配器典型参数：压强10～1000Pa，电极间距1～5cm，高频功率20～200W，高频频率13.56MHz++++++–––––––++–+~SheathSheath0cos()Vtω•1DRFVoltage-DrivenSystem•1DRFVoltage-DrivenSystemBulkPlasmaSubstrateXdirectionPotentialDensityof:ElectronandIon电容耦合高频放电原理•自给偏压(Self-bias)–由于A电极接地，其有效面积大于K电极，形成非对称放电–在只有交流电压的K电极上会自动生成负直流电压VDC（即自给偏压）–CB的存在，保证了VDC不为零，VDC0–VK(t)=VDC+VRFsinωt–实质上是鞘层起到类似二级管的整流作用–离子响应慢，受平均电位分布作用，在自给偏压作用下撞击K电极KADCRFKACCVVCC−=+•高频功率的输入机理–外加高频电场对电子的加速作用，电子吸收高频功率有三种机制：•等离子体区域的焦耳加热（α放电，有碰撞）•鞘层内二次电子逸出后被加速（γ放电，无碰撞）•由于鞘层振荡产生的统计加热（费米加速）费米加速•高频放电的优点–容易产生大口径等离子体；–在加有高频(RF)电压的电极上会产生负直流电压（自给偏压），可加速正离子轰击K电极，也可用于加工工艺；–可通过双高频电源方案同时控制离子轰击能量（自给偏压）和离子通量（等离子体密度）；（一般，放电用高频电压采用较高频率13.56～60MHz，控制自给偏压的电极采用较低频率0.5～2.0MHz）–即使绝缘膜堆积在电极上，也可以稳定地维持等离子体状态++++++–––––––++–+~SheathSheathcos()llJtω~cos()hhJtωDual-FrequencyCCPReactorBulkPlasma9Lowdensity→Lowetchrate9NoindependentcontrolofionfluxandbombardmentenergyDual-Frequency(DF)CCPi.e.27MHz,2MHzhlff==•Drawbacksofsingle-frequency(SF)capacitivelycoupledplasma(CCP)•Drawbacksofsingle-frequency(SF)capacitivelycoupledplasma(CCP)→Criticalapplicationfordielectricetchions-D92SiNmaskEtcherD92SACEtcherEnalber(AMT)Exelan-CFE(Lam)SCCM-TE(TEL)▶VHFDual-CCP:VeryHighFreq.3.2cm,30mT▶HighE/R&PRSel.:VeryHighfrequency▶Uniformity:-CSTU:VerticalB-Field-NSTU:Dualgasfeed▶NarrowDual-CCP:2.0cm,40mT▶PRSelectivity:Heatedtopelectrode▶Uniformity:Dualgasfeed▶Dual-CCP4.5cm,30mT▶Uniformity:-Dualcathode-Dualgasfeed~~60MHz2MHz~13.56MHz~162MHzSpecificationofEquipment