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Magnetrão RFou MERIE

Tecnologia a Plasma para o Tecnologia a Plasma para o processamento de Materiais processamento de Materiais -- 2004/20052004/2005

Rita Macedonº50920

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IntroduçãoMERIE: Magnetically Enhanced Reactive Ion Etcher

IdeiaDescrição do Modelo

• Modelo Homogéneo• Aquecimento das Baínhas• Equilíbrio da descarga

Resultados NuméricosMERIE Performance

EtchingConclusãoBibliografia

IntroduçãoReactive ion etchers (RIEs) são plasmas de acoplamento capacitivo

São muito usados no processamento de materiais

Neste reactores:O substrato é colocado sob oelectrodo activo.a tensão deste electrodo controla simultaneamente a densidade e energia dos iões que bombardeiam o substrato.

Processo de “Eching”:“Etching” Físico/QuímicoO bombardeamente iónico melhora ou promove as reacções entre as espécies activas e o material do substrato.

Os plasmas de acoplamento capacitivocaracterizam-se por:

Elevadas voltagens de baínhaBaixa densidade iónica (fluxo iónico)Elevada energia de bombardeamentoOs dois parâmetros anteriores não variam independentemente

Objectivo: Melhorar a performance das descargas capacitivas!Motivação: Encontrar métodos alternativos de produzir e aquecer plasmas de

forma a atingir:

• Baixas tensões de baínha• Elevadas densidades• Controlo independente de ambos

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• Modelo Homogéneo• Aquecimento das Baínhas• Equilíbrio



Modificar as Descargas Capacitivas

Aplicar um campo magnéticoao plasma que em conjunto com o campo eléctrico permita obter plasmas com as características ideias para melhorar a performance do reactor no processo de etching –

“Magnetical enhancement”

O que se espera:

Os electrões são forçados a circular em torno do campo na região fronteira plasma/baínhaO confinamento dos electrões nessa região tão perto do substrato resultará num melhoramento dasdissociações e das taxas de ionizaçãoMais rápido “etching”

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Geometria do ReactorGeometria Básica:

Gás à pressão preenche o espaço entre os electrodos

Aplicando VRF origina-se o plasma

Magnetically enhanced: Aplicando B0 com linhas de campo magnético paralelas à sup. electrodoactivoÉ nessa região que se coloca a bolacha.

Simplificações feitas ao modelo.Plasma uniforme quasi-neutro, ni=neNegligencia-se a densidade electrónica nas baínhas

Parâmetros:f=13,56 MHzVRF ~ 50-100Vp = 3-100 mtorrB0 ~ 50-300 Gl~3-30 cm

MODELO

I.Modelo homogéneo para as

baínhas e plasma

II.Modelo do aquecimento

das baínhas

III.Equilibrio da descarga• Magnetically enhanced

• Conservação de energia/partículas

Obtenção de parâmetros:

1. Fluxo iónico2. Energia dos iões bombardeados

em função da pressão de descarga, p, e do campo magnético, B0

I.Modelo Homógeneo

Densidade de corrente entre as placas:

Relação entre J e E

⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛ −=

⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

⊥×

×⊥

~

~

~

||

0~

~

~

0000

z

y

x

z

y

x

E

E

E

jj

J

J

J

κκκκκ

ωε

Tensor Dieléctrico, p

Resolvendo: Jz=Jy=0 Ez=0

1

12

0

~

x

~

x~

y

JjE

EE

−

⊥

×⊥

⊥

×

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

κκ

+κωε=

κκ

−=

O plasma é mantido por uma tensão VRF

A imposição dum campo magnético implica:• const. dielectrica 0 tensor dieléctrico p = 0

p• Existência de B movimento ciclotrónico dos

electrões

1JEx ∝

EjJtEJ

EJJ tjx

~~1

rrr

rωεε

ω

=⇔∂∂

=

ℜ=

tj~

0a esRes(t)s ω+=Baínha “a”: Baínha “b”:

• Descargas Simétricas desfazagem 180 º

• Integração da Eq. de Poisson• Condicões Fronteira

tj~

0b esRes(t)s ω−=(t)Eε

(t))sen(xt)(x,E x

0

axa +

−= Campo

Eléctrico no plasma

Campo Eléctrico nabaínha “a”

bxb sEens

−=0

2

bp 2-(t)V

ε∫ +−==as

axa

xa sEensdxE0 0

2

ap 2(t)V

ε

Condições Fronteira: O campo E é contínuo na fronteira plasma-baínha

• Sem B0: qd x=sa Exa=Ex~0• Com B0: qd x=sa Exa=Ex(t), o

campo eléctrico do plasma pode ser significativamente para B

Queda de Tensão na bainha a:

Queda de Tensão bainha b :

Queda de Tensão nas duas baínhas:

x00

~

0bpapsh Es2

sens2-V-VV +==

ε

Tensão Total da descarga Energia dos iões bombardeados

• Média no tempo de Vap• Eioes acelerados no eléctrodo a

• Vplasma=Exd• Espessura do plasma: d=l-2s0

*~

x

~

0

20

ap EsRe21

4ens3

V +=εdEjensVVV xplasmashRF

~

0

202~ +−=+=

ε

21JVap ∝

II. Aquecimento das baínhasMecanismo de Aquecimento

Aquecimento Estocásticonas baínhas

Aquecimento Óhmicono Plasma

•Transferência de energia devidoàs colisões dos electrões coma baínha oscilante •Os electrões podem:

•Ganhar energia•Perder energia

•O balanço num Toscilação é o deganho de energia

•Dissipação de energia que seráganha pelos electrões no Eplasma

• Devido a processos de colisões de electrões com neutros

• - é média no tempo da Eóhmica por unidade de área

dJEP xohm 1~Re

21

=

Profundamente alterado pela adição de campos magnéticos!

Ganho Energético do electrões devido a colisões com a baínha:

B0=0 B0>0

• O e- inicidente colide uma única vez com a baínha “oscilante”

• Re-entra no plasma e termaliza.

• u – velocidade do e- incidente ao colidir com a baínha

• us – velocidade da baínha

• Devido ao B0 os e-’s descrevem um movto

giratório

• O movto causa múltiplas colisões com abaínha, em t=π/ωce,

• O movto do e- pode ser coerente durante várias colisões resultando num elevado ganho de energia

meB

ce0=ω

Determinação quantitativa do aquecimento:

Movto coerente perdido quando se inicia colisões com átomos de gás neutro:

Modelo Homogéneo: ( )

φsesto uuumP −∆∆Γ= 2

• u – variação da velocidade dum e- para um conj. de múltiplas colisões, u1colisão =2us(ωt)

• Fluxo aleatório - Γe=1/4nνe

teli

0is e)tit(uu ∆ν∆ωω∆ −

∞

=∑ +=

elν• – frequência de scatering e--neutro elástico

( )φ

ωνπωφ j

el

ces e

juu ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

+=∆ 1Re)(~

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +

+=

πων

ωνπων ce

elel

ceselsto umnP

)(41

22

2~

Fracção dos e- que não colidiram com os átomos neutros

Com • soma → integral•

ceel, ωνω <<

tj~

ss euReu ω=

Substituindo e calculando a média, obtém-se:

Energia/área transferida para os e- pelas baínhas

20BPsto ∝

III. Equilíbrio da Descarga

Balanço do fluxo

NdnKnu izB =2 Fluxo de pares electrão-ião geradosno plasma:

• Kiz (Te)– constante de taxa de ionização • N – densidade do gás neutro• n – densidade iónica• d –espessura do plasma

S0 l d l

Fluxo estacionário de pares electrão-ião que são perdidos nos electrodos:

• uB -Velocidade de Bohm(velocidade iónica nas baínhas )

21

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛=

i

eB m

eTuDados N e d é possível resolver

numericamente de forma a encontrar Te

Balanço de energia

Energia absorvida pelos electrõesI.

Energia perdidap/ electrão perdido

Ecin média dos electrões perdidos

Energia perdida por par e-/ião criado numa

colisão

)2(2 ecBel KTenuP += ε elstoohm PPP =+ 2

Proveniente do aquecimento óhmico e estocástico

Obtém-se J12 em função de n

II.

Energia perdidap/ electrão perdido

Energia RF absorvida pela descarga

Energia perdidap/ ião perdido

apV ( )apecBRF VKTenuP ++= 22 εelP

Obtém-se n para uma dada PRF

Através das equações de balanço de energia I. e II. é avaliar 4 casos limites:

Dependendo de qual mecanismo de aquecimento domina: estocástico ou óhmico

Dependendo qual o espécie que perde maior energia: iões ou electrões

eLapV εε +>>

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MERIEResultados Numéricos

Os resultados Experimentais foram obtidos utilizando:

Câmara Comercial de Etch (Applied Materials PE5000)13,56 MHzDensidade n foi medida com uma sonda de Langmuircolocada a cerca de 3 cm doelectrodo activoA electrodo activo = 200 cm2

-Vbias=(Vap-Vpb)~VapDescarga assimétrica : Vap >>Vpb

Vbias em função de B0

Densidade, n, em função de B0

p > 300 mtorr

• efeitos colisionais dominam sobre os efeitos magnéticos

• n aumenta com p(n p 0.35)

• devido ao aumento do aquecimento óhmico

P

• efeitos magnéticos dominam

• para B0 máximo n mantém-se cte à medida que p

• Aumento dos efeitos magnéticos resulta num > aq. estocástico

• n aumenta independentemente de p

Baixas Pressões3-mtorr Ar plasma, l=10 cm

Aquecimento Estocástico

Domina a perda de electrónica energia

B0>100 G

Domina a perda iónica de energia

B0<100 G

Psto

s0

n

VRF0

21

abs

BP

∝

021

abs BP∝

10B−∝

021

abs BP∝

20BPabs∝

absP∝

10B−∝

absP∝

Altas Pressões300-mtorr Ar plasma, l=10 cm

Aquecimento Óhmico

32

absP∝

Domina a perda de electrónica

energia

Domina a perda iónica de energia

31

absP∝

61

absP∝

31

absP∝

2absP∝

absP∝

21

absP∝

absP∝Psto

s0

n

VRF

ConclusãoMagnetical enhancement

EFEITOS CONSEQUÊNCIAS

1. Movimento electrónico fortemente inibido

Energia perdida reduzidaMaior Densidade electrónica

3. B confina os e- mais energéticos num pequeno volume perto do electrodo

Diminuição da área efectiva de perda da descargaDireccionamento duma maior fracção do plasma para o electrodo activo

4. Aumento do campo eléctrico no plasma

Aumento do aquecimento óhmicoMaior Densidade

2. Aumento das colisões dos electrões com a baínha oscilante

Aumento da eficiência do aquecimento estocástico

ConclusãoAdequação de Modelo

A dependência do campo magnético obtida experimentalmente é mais fraca do que o previsto.

Principalmente para elevados campos magnéticos onde o aquecimento estocástico deveria dominar.

Porém, o comportamento dos resultados teóricos e experimentais são semelhantes

A adequação qualitativa entre o modelo e a experiência evidenciam que este contém a Física essencial do plasma do reactor

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IntroduçãoStandard Reactive Ion EtchersReactores CCRF: desvantagens

MERIE dischargesIdeiaDescrição do Modelo

• Modelo Homogéneo• Aquecimento das Baínhas • Equilíbrio


EtchingConclusão

• EtchingParâmetros de Análise:

Etching Rate• Espessura do material removido

por unidade de tempo

Uniformity

Anisotropy:• Compara o “etching rate” na

direcção paralela (horizontal) e perpendicular (vertical) relativamente ao substrato.

Selectivity:• Razão entre o “etching rate” do

material no qual se quer fazer “etching” e o “etching rate” de outros materiais

São necessários elevados “Etching Rate” para diminuir o tempo de processo e o custo

Necessária para garantir que todos os dispositivos fabricados tenham iguais características eléctricas/ópticas

Permite a padronização é o mais requisitado para a nanofabricação

Permite o “stop” do etching evitando o overetching

Etching Rate

• À medida que PRF aumenta o “etch rate” aumenta uma vez que os inibidores do “etch” na superfície são removidos pelo bombardeamente de iões energéticos.

• O aumento de B0 resulta num plasma mais denso consequentemente o “etch rate”aumenta.

• O aumento do “etch rate” torna-se ainda mais significativo combinando elevados B0 com elevados PRF , tornando evidente o efeito do “magnetically enhanced”.

Anisotropia• Anisotropia do “etch” aumenta com o

aumento de PRF devido ao aumento da direccionalidade dos iões na baínha do plasma.

• Diminuição de B0 promove a anisotropia uma vez que se combinam os efeitos do bombardeamento dos iões energéticos com o enfraquecimento da reacção química.

Uniformidade

O plasma gerado é fortemente não-uniforme, tanto radialmente como azimutalmente.

Tal é devido ao efeito do “drift” ExB

• Os electrões são tão fortemente inibidos ao atravessar o campo que não se conseguem mover facilmente de forma a compensar possíveis variações de potencial

• Tais inhomogeneidades têm graves implicações em possíveis “plasma damages”: pode dar origem a uma corrente lateral dc no interior da bolacha

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Características dos Reactores MERIE

Vantagens Desvantagens

Diminuição da tensão na baínha

Aumento da densidade do plasma

Aumento do fluxo iónico

Aumento “etch rate”

Pressões e Tensões relativamente baixas

Direccionalidade dos iões bombardeados

Etch Anisotrópico

A não uniformidade nos sistemas MERIE limita a sua performance.

Controlo não independente da densidade e da energia dos iões.

Como nos RIEs standard, estes reactores não permitem um “biasing” independente para a bolacha e a fonte de tensão

A bolacha está colocada numelectrodo necessário para gerar o plasma

A uniformidade do plasma pode ser melhorada colocando um gradiente do campo magnético perto da bolacha ou campo magnético rotativo.

Bibliografiai. Principles of Plasma Discharges and Materials Procesing,

Lieberman M A and Lichtenberg A J,1994 WileyInterscience

ii. Handbook of Advanced Plasma Processing Techniques, Shul R J and Pearton S J, 2000 Springer

iii. Lieberman M A, Lichtenberg A J et al 1991 IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 19, 195

iv. Park J-C and Kang B 1997 IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 25, 499

v. Goto H H et al 1992 IEEE Trans. Semicond. Manufact., vol. 25, no 4, 337

vi. Lieberman M A 1988 IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 16, 638

vii. Lieberman M A 1989 IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 17, 338

viii. Bogaerts A et al 2002 Spectrochimica Acta Part B 57 609ix. Kim B and Kwon K 1998 IEEE Trans. Semicond.

Manufact., vol. 11, no 4, 692

Eq. De Maxwell

Densidade de corrente

Eq. Movimento

Tensor dieléctrico

⎪⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪⎪

⎨

⎧

−=

−=

−−=

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛ −==

×

⊥

⊥×

×⊥

2

2

||

22

2

22

2

||

00

1

1

0000

ωω

κ

ωωω

ωωκ

ωωω

κ

κκκκκ

εκεε

pe

ce

pece

ce

pe

pp jj

EjJEjH

JtEH

p

~~~~0

0

rrrr

rr

r

•≡+=×∇⇔

+∂∂

=×∇

εωωε

ε

⎪⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪⎪

⎨

⎧

=

−

+=

−

−=

⇔

⎪⎪⎪

⎩

⎪⎪⎪

⎨

⎧

−=

+−=

−−=

⇔

×+=

ω

ωωωω

ωωωω

ω

ωω

ωω

zz

ce

xceyy

ce

ycexx

zz

xceyy

ycexx

Ejmev

EEjmev

EEjmev

Emevj

vEmevj

vEmevj

BvEqdtvdm

~~

~~~

~~~

~~

~~~

~~~

)(

22

22

rrrr

venJvenJ ~~00rrrr

−=⇔−=

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