電極輸入參量對電負性NF3等離子體電子密度的影響

唐中華

（南京三樂集團有限公司，南京 210000）

0 引言

反應等離子體在材料制備工藝尤其在刻蝕和沉積方面[1-4]得到廣泛應用。電子密度是等離子體信息的基礎元素，原子的激發、等離子體中物質種類的產生速率都與電子密度有關，同時刻蝕速率、沉積速率也都與電子密度緊密聯系，對電子密度的診斷是了解和控制反應等離子體的一個重要問題。三氟化氮（NF3）作為一種新型的刻蝕氣體[5]，具有很高的刻蝕速率[6]，有望成為一種干氣體刻蝕劑的特殊氣體，但是NF3可利用的數據[7-8]和處理方面的經驗比較少，對NF3等離子體電子密度的研究也成為不可或缺的方面。

目前，對電子密度測量有許多診斷方法，如朗繆爾探針[9]、微波干涉法[10-11]、等離子吸收探針[12-14]、微波共振探針[15-17]。目前，運用最為廣泛的是朗繆爾靜電探針，但是傳統的探針普遍用于電正性等離子體電子密度的測量，在電負性等離子體以及沉積、刻蝕等離子體工藝應用中，探針的電阻特性會受到嚴重干擾，以至于增加了I-V特性曲線的分析難度，難以得到準確的電子密度測量，因而難以反應等離子體內部的真實特性。為了能準確測量電負性等離子體中的電子密度，研究者開發了基于網絡分析儀的微波共振探針技術。微波共振探針在測量等離子體電子密度過程中，所得數據的變化主要依賴于等離子體內部參數的改變導致探針之間介質介電常數的變化，其他因素幾乎不影響微波探針的診斷，因此微波共振探針的診斷方法在電負性等離子體的測量中能夠有效利用。考慮到NF3等離子體的電負性，決定采用微波共振探針對NF3等離子體中電子密度進行測量，研究容性耦合放電中上下電極功率變化對其電子密度的影響。

微波共振探針經歷了從有到無、簡單到成熟的過程。1976年，Stenzel[15]首次提出微波共振探針，并以此測量低氣壓下等離子體電子密度，這實質上是1根一端開口另一端相連、1/4波長的傳導線，其共振頻率與周圍介質的相對介電常數有關；Piejak等[16-17]在Stenzel的基礎上改善了探針結構，提高了信噪比，同時使用流體模型首次提出對探針進行鞘層修正，次年又運用發夾探針對射頻等離子體進行測量；Haas等[18]也對發夾探針的電子和離子鞘層影響進行了研究；Karkari等[19]使用懸浮發夾共振探針直接測量雙頻容性等離子體的空間電子密度；鄒帥等[20]和唐中華等[21]使用懸浮微波共振探針與雙探針測量相比較，證實了微波共振探針在電負性氣體中測量低電子密度的準確性和可實施性；Sands等[22]所在的研究小組分別對高氣壓等離子體密度的診斷做理論與實驗的系統研究[23-24]；Liang等[25]使用螺旋型微波共振探針解決了傳統探針無法測量高頻等離子體密度的問題。

三氟化氮（NF3）作為一種新型的刻蝕氣體[5]，具有很高的刻蝕速率，在刻蝕過程中電負性等離子體的電子密度、活性基團的比例、離子轟擊能量是多晶硅表面干法制絨的重要因素。等離子體中的電子輸運到鞘層邊界，在射頻場中獲取能量并反彈進入等離子體后，與背景氣體分子發生振動與轉動激發、電離以及吸附分解等一系列碰撞反應，這些化學反應機制深刻的影響著等離子體中的電子密度，因此電子密度的測量有助于理解等離子體中電負性氣體發生化學反應。基于網絡分析儀采用懸浮微波共振探針，測量40.68 MHz激發的容性耦合NF3等離子體的電子密度，并考慮鞘層進行修正，詳細測量了上下電極輸入功率的參數變化對等離子體電子密度的影響。

1 微波發夾探針測量原理

圖1為傳統發夾探針的簡易圖，（a）為發夾探針；（b）為探針側面圖，傳統微波共振探針是1根一端開路，一端短路的1/4波長的傳導線（l為探針長度），微波從z=-l處入射，在z=0處發射，電子密度ne可以通過fr和f0簡單的表示[7]：

式中：ne為電子密度的，1010cm-3；fr、f0分別為探針在等離子體與真空中的振動頻率，GHz。

在低電子密度情況下（如電子密度ne=109cm-3，電子溫度Te=2 eV），鞘層厚度達到毫米量級，此時鞘層在探針之間的介質中占有重要作用，嚴重影響了介電常數的數值大小，因此在這種情況下，就有必要考慮到鞘層影響的存在。懸浮探針的設計使得探針處于懸浮狀態，其電勢也將隨等離子體變化，通過鞘層的射頻電勢也可以忽略不計，因此可以使用一般的鞘層修正就可以得到更準確的等離子體密度。考慮到鞘層存在的影響，等離子體密度可以修正為：

圖1 傳統發夾探針的簡易圖Fig.1 Traditional hairpin probe simple drawing

2 實驗裝置

2.1 容性耦合等離子體反應裝置及光譜儀

實驗中使用的容性耦合等離子體反應裝置如圖2所示。反應腔器的內徑為350 mm，內部裝有兩個平行板電極，上電極直徑為220 mm，下電極直徑為200 mm，上、下電極板通有水冷循環。施加的射頻電源由1個信號源和1個功率放大器組成，通過1個阻抗匹配器連接到上、下電極，信號源可輸出2～40.68 MHz的射頻信號。匹配網絡呈‘L’型，包括兩個可調電容和1個固定電感。所有的射頻傳輸線都采用鍍銀的同軸電纜并盡可能短，這樣可以減少射頻功率在傳輸過程中的損耗。

實驗中兩電極板之間的距離固定為30 cm，上極板輸入主電源頻率為40.68 MHz的射頻功率，下電極通常接2/13.56 MHz的射頻電源作為次電源或者接地（未特別說明時通常與實驗室地線相連），使用氣體為純NF3，通過流量計輸入到真空室中。腔室的抽氣系統由分子泵和機械泵聯合組成，本底真空為5×10-3Pa。

圖2 容性耦合等離子體（CCP）反應裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of capacitively coupled plasma equipment

實驗采用安捷倫公司生產的N5230A型矢量網絡分析儀，掃描頻率范圍為300 kHz～20 GHz。

2.2 懸浮微波共振探針

圖3為采用的懸浮微波共振探針的幾何結構示意圖。工作原理是：微波信號源驅動小幅度的交流電，從U型探針底部處附近的小直徑的激發小環處流過，相關的交變磁場耦合能進入發夾探針中；在發夾開口處共振時，探針的電磁場就大幅度增加，發夾探針上會有駐波產生，此時在開口處的電壓、電流達到最大值（最小值），而探針底部短路處的電壓、電流達到最小值（最大值），在這樣的共振環境下，發夾向周圍環境微弱地傳播能量；沒有共振時，幾乎從源頭入射的所有能量都被反射回去；通過觀測發夾探針的共振頻率的偏移即可計算出等離子體中大致的電子密度。主傳輸線采用的是阻抗值為50 Ω的RG223型同軸電纜線，直徑為1 mm傳輸芯線彎曲成兩匝中心半徑為1.75 mm的感應線圈。U型發夾探針采用直徑為0.15 mm的鍍銀鎢絲制作而成，間距為5 mm，長度為33 mm左右，通過AB環氧樹脂膠密封在同軸電纜線的聚四氟乙烯絕緣層末端，U型探針平面離開感應線圈一端平面約1 mm左右，以保證合適的感應電位，從而在測量S11參量信號時能得到較高的信噪比。

圖3 微波共振探針幾何結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the microwave resonator probe

3 實驗結果及討論

3.1 Ar等離子體中微波共振探針與雙探針的測量結果對比驗證

微波共振探針在測量等離子體電子密度過程中，所得數據的變化主要依賴于等離子體內部參數的改變導致探針之間介質介電常數的變化，其他因素幾乎不影響微波探針的診斷，為了驗證在等離子體電子密度測量中微波共振探針測量結果的準確性，在Ar等離子體的同一放電環境下分別使用微波共振探針和朗繆爾雙探針進行電子密度的測量，并將兩者的測量結果進行比較。

實驗中容性耦合Ar等離子體使用40.68 MHz射頻源激發，射頻輸入功率為100 W，固定氣壓2.0 Pa，結果如圖4所示，（a）兩個峰分別為微波共振探針（HP）在真空和Ar等離子體中的共振吸收信號；（b）為微波共振探針（HP）和雙探針（DP）測得的電子密度對比圖。

圖4 Ar等離子體中微波共振探針與雙探針的測量結果對比驗證圖Fig.4 The measurement results of microwave resonance probe and double probe inAr plasma are compared

從圖4（a）中可以看出相對于真空中的共振峰，等離子體中的共振峰有一定的偏移，根據共振峰的偏移通過公式可以粗略計算出等離子體電子密度，考慮到等離子體中共振探針表面鞘層的存在，需要等離子體密度的計算結果進行修正，使用式（2）進行修正后可得到較為精確的電子密度。圖4（b）可以看出等離子體電子密度較低時，微波共振探針和雙探針兩者的測量結果基本一致，電子密度比較高時顯示出略有差異（兩者最大差距也僅僅21%）。因此認為電子密度較低時，微波共振探針技術可以是一種可靠的等離子體電子密度測量手段。

3.2 改變下電極功率

實驗中向真空腔室通入純NF3氣體，通過質量流量計固定NF3氣體流量60 mL/min，通過調節圖2中抽氣泵閥門使放電氣壓分別為1 Pa和5 Pa，上電極連接40.68 MHz的射頻電源、保持上電極功率150 W不變，下電極連接2 MHz或者13.56 MHz的低頻射頻源，調節下電極功率使之逐步提高，利用懸浮微波共振探針測得不同下電極功率時的電子密度。

考慮到鞘層對電子密度的影響，對共振探針直接測得的電子密度進行修正。純NF3氣體放電時，在電子碰撞作用下NF3能分解成NFx形勢的子產物，并且這些子產物會發生重組反應[6]：

式（3）、式（4）這些反應直接導致N2的大量生成。因此可以認為，在純NF3放電形成的等離子體中主要的陽離子是由此認為進入到鞘層中的平均離子質量通過分別對下電極2 MHz和13.56 MHz時利用微波共振探針測得的電子密度進行修正，修正后的電子密度大約為修正前的2.5倍，修正后結果如圖5所示。可以看出，下電極連接2 MHz或者13.56 MHz的低頻射頻源，當下電極功率增加時，電子密度都雖略有升高，但是變化幅度都很微小；相比于兩個不同氣壓，相同條件時高氣壓的電子密度小于低氣壓的電子密度。

根據圖5的數據計算出，下電極連接2 MHz射頻源時電子密度變化率分別為681.6 m-3·W-1（1 Pa）、428.4 m-3·W-1（5 Pa），下電極連接13.56 MHz射頻源時電子密度變化率分別為 90.6 m-3·W-1（1 Pa）、321.3 m-3·W-1（5 Pa），電子密度的變化率更直觀地表明，NF3容性耦合等離子體電子密度受到下電極低頻射頻源功率的影響微小。認為這是由于增加下電極的功率，提高了等離子體中離子轟擊極板的通量和能量，使得生成的二次電子增多，而一部分二次電子又參與了源氣體的分解和激發，因此電子密度的增加很微小，下電極功率的增加對電子密度的貢獻很小。同時在圖5（a）、（b）對比也可以看出，下電極輸入相同功率時，下電極連接2 MHz與13.56 MHz射頻源所對應的電子密度是相近的，這說明下電極低頻射頻源的頻率對電子密度沒有實質性影響。

圖5 在上電極40.68 MHz功率源驅動的下電極不同放電功率時NF3等離子體的電子密度曲線Fig.5 The electron density of NF3plasma at different discharge power at the bottom electrode driven by 40.68 MHz power source

從總體而言，當下電極連接低頻射頻源時，下電極輸入功率的變化或者下電極低頻射頻源的頻率變化對NF3容性耦合等離子體密度影響不大。

3.3 改變上電極功率

向真空腔室中通入純的NF3氣體，上電極連接40.68 MHz的高頻射頻源，射頻源驅動功率為50～210 W逐漸改變，下電極接地。利用微波共振探針測出1 Pa和5 Pa時不同驅動功率下等離子體的電子密度，并使用式（2）修正方法對電子密度進行鞘層修正，修正后的結果大約為修正前的5倍，修正后的結果如圖6所示。可以看出，隨著上電極驅動功率的增加，在1 Pa和5 Pa環境下電子密度都有明顯升高。兩個不同氣壓相比，相同條件時高氣壓的電子密度小于低氣壓的電子密度，這一點也與圖5相吻合。這是因為隨著氣壓增大，電子的平均自由程也隨之減少（λen=4.40/p）[26]，在一個自由程內電子從電磁場中獲得的能量降低，同時氣壓的升高使得電子與中性粒子的碰撞幾率大幅增加，電子與周圍粒子頻繁的碰撞使電子不斷地產生能量損失和能量交換，也就無法獲得足夠的能量來離化源氣體分子，氣體分子被分解電離的有效碰撞減少，因此隨著氣壓的增大電子密度會逐漸減小

圖6 上電極功率變化對NF3等離子體電子密度的影響曲線Fig.6 the influence of the top electrode power change on the electron density of NF3plasma

根據圖6數據可計算出，隨著上電極高頻射頻源功率的升高，電子密度變化率分別為1 616.25 m-3·W-1（1 Pa）、1 137.875 m-3·W-1（5 Pa），可以說無論高氣壓還是低氣壓，上電極功率的變化對NF3等離子體電子密度的影響比較大。這是因為射頻源輸入功率的增加使得電子在一個自由程內獲得的能量增加，提高了電子與中性粒子碰撞時中性粒子的激發機率和分解機率。因此隨著上電極功率的增加，等離子體中電子密度不斷升高，上電極功率對NF3容性耦合等離子體有較大的影響。

圖6的結果顯示，在NF3容性耦合等離子體中，上電極輸入（主功率電源）功率增加時，NF3容性耦合等離子體的電子密度有明顯提高。結合圖5和圖6相同條件下兩種氣壓時的電子密度可以看出，NF3等離子體的電子密度相同條件時高氣壓的電子密度小于低氣壓的電子密度。

4 結論

通過改變下電極次功率電源的輸入功率和頻率、上電極主功率電源的輸入功率時，利用微波共振探針分別測量NF3容性耦合等離子體在氣壓為1 Pa和5 Pa時的電子密度。實驗結果表明：

（1）下電極連接2 MHz射頻源時電子密度變化率分別為 681.6 m-3·W-1（1 Pa）、428.4 m-3·W-1（5 Pa），下電極連接13.56 MHz射頻源時電子密度變化率分別為90.6 m-3·W-1（1 Pa）、321.3 m-3·W-1（5 Pa），NF3容性耦合等離子體電子密度受到次功率電源的低頻射頻源功率的影響微小；

（2）隨著上電極高頻射頻源功率的升高，電子密度的變化率分別為：1 616.25 m-3·W-1（1 Pa）、1 137.875 m-3·W-1（5 Pa），主功率電源高頻射頻功率的變化對NF3等離子體電子密度的影響比較大，可以認為主功率電源輸入功率的改變對NF3等離子體密度起決定性作用；

（3）相同條件的電源輸入功率和輸入頻率時，NF3容性耦合等離子體的電子密度在高氣壓的電子密度小于低氣壓的電子密度。

參考文獻：

[1]呂玲.感應耦合等離子體刻蝕p-GaN的表面特性[J].物理學報，2008，57（2）：1128-1132.

[2]馬小濤.感應耦合等離子體刻蝕InP/InGaAsP二維光子晶體結構的研究[J].物理學報，2007，56（2）：977-981.

[3]陳新亮.襯底溫度對MoCVD法沉積ZnO透明導電薄膜的影響[J].物理學報，2007，56（3）：1563-1567.

[4]葉超.微波電子回旋共振等離子體增強化學氣相沉積法沉積氟化非晶碳薄膜的研究[J].物理學報，2001，50（4）：784-789.

[5]楊彥.三氟化氮-一種新型干蝕刻氣[J].低溫與特氣，2006，24（4）：28-30.

[6]Kastenmeier B E.Remote plasma etching of silicon nitride and silicon dioxide using NF3/O2gas mixtures[J].J Vac Sci Tech?nol，1998，16（4）：2047-2056.

[7]Robert M R. Ionization and Dissociation of Nitrogen Trifluorideby Electron Impact[J].The Journal Of Chemical Physics，1956，24（6）：1175-1177.

[8]Bower D H.Planar Plasma Etching of Polysilicon Using CCI4 and NF3[J].Coal Gasification Atmospheres，1982，129（4）：795-799.

[9]Langmuir I，Mott-Smith H.Studies of electric discharges in gases at low pressures[J].Gen Elec Rev，1924，27：449-455

[10]Overzet L J，Hopkins M B.Comparison of electron-density measurements made using a langmuir probe and microwave interferometer in the gaseous electronics conference reference reactor[J].Journal of applied physics，1993，74（7）：4323-4330.

[11]Scharwitz C，B?ke M，Hong S H，et al.Experimental characterisation of the plasma absorption probe[J].Plasma Process?esandPolymers，2007，4（6）：605-611.

[12]Li B，Li H，Chen Z，et al.Dual-role plasma absorption probe to study the effects of sheath thickness on the measurement of electron density[J].Journal of Physics D：Applied Physics，2010，43（32）：325203.

[13]Nakamura K，Ohata M，Sugai H.Highly sensitive plasma absorption probe for measuring low-density high-pressure plasmas[J].Journal of Vacuum Science&Technology A：Vacuum，Surfaces and Films，2003，21（1）：325-331.

[14]Stenzel R L.Microwave resonator probe for localized density measurements in weakly magnetized plasmas[J].Rev Sci In?strum，1976，47（5）：603-607.

[15]Piejak R B.The hairpin resonator：A plasma density measuring technique revisited[J].JApplPhys，2004，95（7）：3785-3791.

[16]Piejak R B.Hairpin resonator probe measurements in RF plasmas[J].Plasma Sources Sci Technol，2005，14（4）：734-743.

[17]Haas F A.Electron and ion sheath effects on a microwave“hairpin”probe[J].Appl PhysLett，2005，87（20）：201503.

[18]Karkari S K，Ellingboe A R，Gaman C.Direct measurement of spatial electron density oscillations in a dual frequency capacitive plasma[J].Appl Phys Lett，2008，93（7）：071501.

[19]鄒帥，唐中華，吉亮亮，等.懸浮型微波共振探針在電負性容性耦合等離子體中電子密度的測量[J].物理學報，2012，61（7）：075204.

[20]唐中華，洪布雙，徐東升，等.放電參量對電負性容性耦合等離子體電子密度的影響[J].真空科學與技術學報，2014，34（1）：84-90.

[21]Sands B L，Siefert N S，Ganguly B N.Design and measure?ment considerations of hairpin resonator probes for determining electron number density in collisional plasmas[J].Plasma Sources Sci Technol，2007，16（4）：716-725.

[22]Xu J Z，Nakamura K，Zhang Q，Sugai H.Simulation of resistive microwave resonator probe for high-pressure plasma diagnostics[J].Plasma Sources Sci Technol，2009，18（4）：045009.

[23]Xu J Z，Shi J J，Zhang J，et al.Advanced high-pressure plasma diagnostics with hairpin resonator probe surrounded by film and sheath[J].Chin Phys B，2010，19（7）：075206.

[24]Liang L，Nakamura K，Sugai H.Modeling Microwave Resonance of Curling Probe for Density Measurements in Reactive Plasmas[J].Applied Physics Express，2011，4（6）：5592-5598.

[25]菅井秀郎.離子體電子工程學[M].北京：科學出版社2005.