發(fā)射光譜的低溫等離子體診斷

吉祖俊，郭 穎，趙建鋼

(1. 東華大學(xué) a.理學(xué)院; b.東華大學(xué)理學(xué)院與諾信有限公司聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，上海201620; 2. Nordson MARCH，2470-A Bates Ave. Concord，CA 94520，USA)

采用低溫等離子體對(duì)材料表面進(jìn)行處理屬于一種新興技術(shù)，其被廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、機(jī)械、紡織，生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域[1-4]。電容耦合放電(capacitive coupled plasmas，CCP)是最簡單的等離子體產(chǎn)生方式[5-6]，射頻功率通過電容耦合的方式輸入，電極之間可得到大面積比較均勻的電場分布，同時(shí)可產(chǎn)生比較均勻的刻蝕效果，在工業(yè)界有著廣泛的應(yīng)用。但在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，除了要考慮刻蝕工藝過程的各向異性、刻蝕選擇性，刻蝕均勻性等因素，最為關(guān)鍵是對(duì)刻蝕速率的控制[7-8]。目前，發(fā)射光譜對(duì)等離子體刻蝕檢測的相關(guān)研究已有很多報(bào)道。如王巍等[9]利用發(fā)射光譜儀對(duì)等離子體腔體內(nèi)部的光強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過觀察刻蝕產(chǎn)物的發(fā)射光譜，成功找到刻蝕的終點(diǎn)。Kinoshita等[10]通過發(fā)射光譜將氧原子的激發(fā)態(tài)光強(qiáng)作為活性物質(zhì)和放電強(qiáng)度的檢測標(biāo)準(zhǔn)，研究極板的自偏壓對(duì)氧氣等離子體放電的影響。以上研究幾乎都是利用刻蝕產(chǎn)物的種類變化在發(fā)射光譜上形成新的特征峰光強(qiáng)來進(jìn)行等離子體的刻蝕診斷[11-12]，并未將發(fā)射光譜的光強(qiáng)數(shù)據(jù)直接與等離子體參數(shù)以及相同條件下光刻膠的刻蝕速率進(jìn)行聯(lián)系和分析。

本文基于發(fā)射光譜診斷方法，探究功率和極板配置對(duì)等離子體放電光強(qiáng)的影響，并與前期朗繆爾探針?biāo)鶞y的等離子體參數(shù)[13](電子溫度、電子密度和電子能量密度)進(jìn)行比較，分析光強(qiáng)與光刻膠刻蝕速率的關(guān)系。

1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)所用的容性耦合等離子體放電裝置和診斷的裝置如圖1(a)所示。該等離子體放電設(shè)備是美國Nordson MARCH公司生產(chǎn)的AP-600型設(shè)備，發(fā)射光譜測量儀采用荷蘭Avantes公司的AvaSpec-2048型光纖光譜儀。AP-600型設(shè)備由13.56 MHz的射頻電源、自動(dòng)匹配箱和真空腔體3個(gè)主要部分構(gòu)成，真空腔體的兩側(cè)壁各有7個(gè)支架，可同時(shí)放置6塊極板，相鄰支架間距為2.54 cm。圖1(b)為AP-600型設(shè)備正對(duì)面光學(xué)窗口圖，AP-600型設(shè)備的正面有3個(gè)光學(xué)玻璃窗口，在中間石英玻璃窗口上搭建光譜探測器的探頭(十字形中心為探頭所在位置)，為了防止其他光源的干擾，其余部分均以鋁箔遮擋。

(a) AP-600型等離子放電設(shè)備和發(fā)射光譜診斷設(shè)備

(b) AP-600型設(shè)備正對(duì)面光學(xué)窗口圖1 容性耦合等離子體放電裝置和診斷裝置Fig.1 Capacitive coupled plasma discharge and spectral diagnostic system

將AP-600型放電設(shè)備進(jìn)行改裝，由原來的正(Power)-負(fù)(Ground)電極改裝成為對(duì)稱的正(Power)-正(Power)電極，上下極板之間的電壓相位差為0°，如圖2所示。

圖2 極板配置簡易圖Fig.2 Schematic diagram of electrode configuration

在進(jìn)行光刻膠刻蝕時(shí)，為了使光刻膠的刻蝕位置處于放電腔體的正中央，配置了高為5.08 cm的石英玻璃載物臺(tái)。本試驗(yàn)選用的特征波長如下所示：氬離子為488 nm，氬原子為750 nm(2p→1s)，氧離子為464 nm，氧原子為777 nm (3s5s→3p5p)。在處理數(shù)據(jù)時(shí)一般將光強(qiáng)歸一化，即通過實(shí)際光強(qiáng)值與每組的最大光強(qiáng)值作比使數(shù)據(jù)映射到0～1范圍內(nèi)。 前期的試驗(yàn)表明AP-600型設(shè)備在30 s后的放電為穩(wěn)定放電，誤差僅有5%，因此本試驗(yàn)選取光譜的測量時(shí)間約為35 s。光刻膠的刻蝕時(shí)間固定為5 min，刻蝕前后的光刻膠厚度通過掃描電子顯微鏡進(jìn)行測量。

2 結(jié)果及討論

2.1 功率對(duì)氬氣和氧氣容性耦合等離子體放電的影響

功率對(duì)氬氣和氧氣發(fā)射光譜光強(qiáng)的影響如圖3所示。試驗(yàn)條件：正負(fù)極板，極板間距為10.16 cm，放電氣體氬氣的流量為50 cm3/min，放電壓強(qiáng)為13.33 Pa。由圖3(a)可知，隨著功率的逐步增加，氬離子激發(fā)態(tài)(488 nm)光強(qiáng)和氬原子激發(fā)態(tài)(750 nm)光強(qiáng)呈線性增加，兩者變化趨勢相同。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：隨著輸入功率的增加，功率密度也逐漸增加，電子獲得更多的能量被加速，形成高能電子，氬中性原子更易被高能電子激發(fā)，因此產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的光強(qiáng)隨著功率的增加而增加；由于氬氣是單原子氣體，可忽略間接激發(fā)，因此氬離子和氬原子兩者激發(fā)態(tài)光強(qiáng)的變化趨勢相同[10]。

(a) 氬氣

(b) 氧氣圖3 功率對(duì)氣體容性耦合等離子體放電的影響Fig.3 The effects of power on the capacitive coupled plasma discharge

由圖3(b)可知，功率對(duì)氧離子和氧原子的激發(fā)態(tài)的光強(qiáng)影響與氬氣類似，但是氧離子激發(fā)態(tài)光強(qiáng)與氧原子激發(fā)態(tài)光強(qiáng)之間的相關(guān)性相對(duì)降低。這可能是由于氧氣是雙原子氣體，在激發(fā)的過程中既存在直接激發(fā)又存在分解激發(fā)，因此譜線可能出現(xiàn)一定的展寬現(xiàn)象，需要用高分辨率的光譜儀區(qū)分兩者之間的光強(qiáng)比例。Meulenbroeks等[14]利用這種譜線的展寬近似算出了電子密度。圖3(b)顯示氧離子的激發(fā)態(tài)光強(qiáng)在功率為25 W(AP-600型設(shè)備維持放電的最小功率)時(shí)達(dá)到最小值，而在功率接近0 W時(shí)，光強(qiáng)的大小并不為0。該現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于氧離子的激發(fā)態(tài)光強(qiáng)絕對(duì)值較小，相對(duì)而言，氬原子激發(fā)態(tài)的光強(qiáng)值受儀器本身的誤差擾動(dòng)較大，因此存在較大的試驗(yàn)誤差，光強(qiáng)曲線的延長線不經(jīng)過原點(diǎn)。

激發(fā)態(tài)光強(qiáng)與等離體參數(shù)的相關(guān)性如圖4所示。由圖4(a)可知，電子密度和電子能量密度與氬離子激發(fā)態(tài)光強(qiáng)呈高度線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別高達(dá)0.98和0.97; 相同的現(xiàn)象出現(xiàn)在圖4(b)中，氧原子激發(fā)態(tài)光強(qiáng)與電子密度和電子能量密度相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.94和0.88，其中等離子體參數(shù)(電子密度和電子能量密度)來自于筆者課題組唐優(yōu)青[13]的研究。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是氬離子和氧原子激發(fā)態(tài)的光強(qiáng)主要都來自于電子和其基態(tài)的粒子的碰撞激發(fā)，其特征峰處光強(qiáng)的大小一定程度上可以用來表征等離子體內(nèi)部基態(tài)粒子的濃度，發(fā)射光譜強(qiáng)度越大，電子與基態(tài)粒子的碰撞越頻繁，可產(chǎn)生更多的低能電子，導(dǎo)致電子密度和電子能量密度的增加[15]。

(a) 氬離子

(b) 氧原子圖4 激發(fā)態(tài)光強(qiáng)與等離子體參數(shù)的相關(guān)性Fig.4 Relationship between the excitation intensity and plasma parameters

功率對(duì)光刻膠刻蝕速率的影響如圖5(a)所示，分別采用純氬氣和純氧氣(99.99%)做為刻蝕氣體。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著功率的增加，光刻膠的刻蝕速率增加。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：功率增加，電子能量變大，碰撞頻率和電離率增加，導(dǎo)致等離子體內(nèi)部的氬離子和氧原子的密度隨之增加，最終使光刻膠的刻蝕速率提高[16]。圖5(a)中氧氣對(duì)光刻膠的刻蝕速率大于氬氣對(duì)光刻膠的刻蝕速率。其原因是：氬離子的刻蝕機(jī)制是物理刻蝕,即利用氬離子與光刻膠表面的物理撞擊產(chǎn)生刻蝕效果；氧原子的刻蝕機(jī)制是化學(xué)刻蝕，利用氧原子和光刻膠內(nèi)部的有機(jī)物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)來進(jìn)行刻蝕，化學(xué)刻蝕的反應(yīng)速率大于物理刻蝕的反應(yīng)速率。

(a) 功率

(b) 激發(fā)態(tài)光強(qiáng)圖5 功率和激發(fā)態(tài)光強(qiáng)對(duì)光刻膠刻蝕速率的影響Fig.5 The effects of power and excitation intensity on etch rate

圖5(b)顯示激發(fā)態(tài)光強(qiáng)與光刻膠的刻蝕速率有良好的線性關(guān)系。氬氣和氧氣的刻蝕速率分別與氬離子和氧原子的激發(fā)態(tài)光強(qiáng)的相關(guān)性達(dá)0.98和0.95。由此表明，在功率變化時(shí)，無論是氬氣還是氧氣，發(fā)射光譜的強(qiáng)度近似正比于對(duì)應(yīng)粒子的強(qiáng)度[10]，在AP-600型設(shè)備中可利用發(fā)射光譜線的強(qiáng)度進(jìn)行刻蝕速率的診斷研究。

試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)射光譜的強(qiáng)度可以診斷氬氣和氧氣容性耦合等離子體內(nèi)部的氬離子和氧原子的濃度，光刻膠的刻蝕速率的研究也相對(duì)應(yīng)地驗(yàn)證了這一結(jié)論。激發(fā)態(tài)光強(qiáng)與等離子放電參數(shù)和光刻膠刻蝕速率相關(guān)性如表1所示。

表1 激發(fā)態(tài)光強(qiáng)與等離子體參數(shù)和光刻膠刻蝕速率的相關(guān)性Table 1 The correlation among the emission intensity,plasma parameters and etch rate

2.2 極板配置對(duì)氧氣容性耦合放電的影響

極板間距對(duì)氧原子激發(fā)態(tài)光強(qiáng)的影響如圖6所示。其中，圖6(a)的極板配置為正負(fù)電極，圖6(b)的極板配置為正正同相電極。試驗(yàn)放電條件：氧氣流量為50 cm3/min，壓強(qiáng)為21.28 Pa。試驗(yàn)改變極板的間距，分別為5.08、10.16和15.24 cm。

(a) 正負(fù)極板

(b) 正正極板圖6 極板間距對(duì)氧原子激發(fā)態(tài)光強(qiáng)的影響Fig.6 The effect of electrode distance on the excitation intensity of oxygen atoms

由圖6可知，無論極板配置和極板間距如何改變，氧原子激發(fā)態(tài)光強(qiáng)隨功率的增大呈線性增大，這與前面所得的結(jié)論一致。隨著極板間距的增加，氧原子的激發(fā)態(tài)光強(qiáng)減弱。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：極板間距的增大使得等離子體的放電區(qū)域增大，然而電源耦合到等離子體內(nèi)部的功率不變，等離子體的功率密度相對(duì)減小，電子獲得能量減少，電子與氧氣分子之間的碰撞頻率隨之減小，產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)的氧原子的數(shù)量也越小，最終導(dǎo)致氧原子激發(fā)態(tài)光強(qiáng)的減小。

極板類型對(duì)氧原子激發(fā)態(tài)光強(qiáng)的影響如圖7所示。

(a) 極板間距為5.08 cm

(b) 極板間距為10.16 cm

(c) 極板間距為15.24 cm圖7 極板類型對(duì)氧原子激發(fā)態(tài)光強(qiáng)的影響Fig.7 The effect of electrode type on the excitation intensity of oxygen atoms

由圖7可知，當(dāng)極板的間距分別為5.08、10.16和15.24 cm時(shí)，均有正負(fù)極板配置時(shí)氧原子激發(fā)態(tài)的光強(qiáng)大于正正極板配置時(shí)氧原子激發(fā)態(tài)的光強(qiáng)的現(xiàn)象。這一試驗(yàn)結(jié)果與Zhang等[17]的模擬結(jié)論和Kinoshita[10]的試驗(yàn)結(jié)果類似，產(chǎn)生這種情況的原因與電壓相位差對(duì)等離子體的瞬時(shí)調(diào)制相關(guān)。正負(fù)極板配置時(shí)，電子被加速到達(dá)極板，在短時(shí)間內(nèi)與極板碰撞損失，形成很薄的正離子鞘層，上下極板之間形成向主等離子體區(qū)域增大的電勢。鞘層受射頻電源驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生振蕩，當(dāng)鞘層向主等離子體區(qū)域運(yùn)動(dòng)時(shí)，電子受鞘層產(chǎn)生的電勢驅(qū)動(dòng)向中間區(qū)域運(yùn)動(dòng)，電子的通量為正; 當(dāng)鞘層向極板處運(yùn)動(dòng)時(shí)，電子的通量為負(fù)。正正極板配置，由于其電壓相位差為0°，即上下極板與主等離子體區(qū)域之間鞘層的振蕩方向相反。若下極板鞘層向主等離子體振蕩，電子通量為正，則上極板鞘層必然向背離主等離子體方向振蕩，電子通量為負(fù); 電子通量的有效值降低[18]，進(jìn)而導(dǎo)致電子與氧氣分子的碰撞的頻率降低，電子的密度和碰撞產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)的氧原子的密度減小。因此正負(fù)極板配置使氧激發(fā)態(tài)的光強(qiáng)大于正正極板配置時(shí)的光強(qiáng)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在氧氣容性耦合等離子體放電時(shí)，極板間距越大，主等離子體區(qū)域氧原子的密度(等離子體密度)越低; 正負(fù)極板的配置比正正極板的配置更有利于提高等離子體內(nèi)部氧原子密度(等離子體密度)，這種極板配置的改變對(duì)等離子體的影響可以通過發(fā)射光譜直接檢測出來。

3 結(jié) 語

發(fā)射光譜作為診斷工具時(shí)，可通過特征光譜的強(qiáng)度變化直接得知相應(yīng)條件下的刻蝕速率的變化。當(dāng)功率作為變量時(shí)，本文利用這種診斷手段分析光強(qiáng)與等離子體參數(shù)及刻蝕速率的關(guān)系，并進(jìn)一步討論極板配置對(duì)等離子體放電的影響。極板間距增加將使得發(fā)射光譜強(qiáng)度減小、等離子體密度減??；正負(fù)極板配置比正正同相電極配置更能提高等離子體密度和光刻膠的刻蝕速率。