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研究生:林以穠
研究生(外文):E-Non Lin
論文名稱:氦氣及氙氣之添加對電感偶合式六氟化硫電漿性質影響之研究
論文名稱(外文):A Comparative Study on the Effect of Helium and Xenon Addition to Inductive-Coupled SF6 Plasma
指導教授:魏大欽
指導教授(外文):Ta-Chin Wei
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:化學工程研究所
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:136
中文關鍵詞:蝕刻速率電漿蝕刻放射光譜
外文關鍵詞:etch rateplasma etchingoptical emission spectroscopy
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本研究利用電漿放射光譜儀,探討電感偶合式SF6/He和SF6/Xe電漿性質(各物種濃度、SF6解離率等)隨操作參數之變化,並在不同基板面積、電漿功率、操作壓力及氣體配比下對矽晶圓進行電漿蝕刻,探討蝕刻速率之差異及其與氟原子濃度之關連性。
在電漿蝕刻方面,不同矽晶圓面積下,SF6/He電漿之矽蝕刻速率皆與以放射光譜所測得之氟原子相對強度趨勢類似,但在SF6/Xe電漿時,選擇不同F及Ar特徵峰進行半定量分析時,會與蝕刻速率有很大之差異,所以必須慎選其特徵峰才能與蝕刻速率作一比較。此外,在改變電漿功率時,SF6電漿添加He之後其氟原子濃度皆維持不變;解離率隨著He添加比例而上升,蝕刻速率則與氟相對強度趨勢類似。添加Xe後則會使氟原子濃度下降;解離率則大致維持持平之趨勢,同時Xe比例增加會使離子轟擊效應增強使得氟原子濃度與蝕刻速率有較大差異。接著在探討惰性氣體流量對蝕刻速率之實驗中,發現在較低功率且高壓力下,電漿性質會因電子密度較低而較趨於CCP mode,使得蝕刻速率較低,添加惰性氣體後能使電漿穩定而轉變為ICP mode,進而使蝕刻速率有效提升。
最後為了進一步提升蝕刻速率,所以針對SF6/O2系統添加惰性氣體加一探討,結果顯示在較低功率下,添加惰性氣體會使SF6/O2系統之電漿趨於穩定,所以使得蝕刻速率上升,而在較高功率下,因電漿一直保持在ICP mode,使得蝕刻速率無明顯變化。
In this study, the characteristics (species concentration and SF6 conversion) of inductively coupled SF6/He and SF6/Xe plasma were investigated using optical emission spectroscopy. The effects of operating parameters (wafer area, power, pressure, and gas ratio) on plasma etching of silicon are discussed.
The plasma etching results show that the Si etch rate in SF6/He plasma has the same trend with the relative fluorine OES intensity, but it is different in SF6/Xe plasma. Careful choice of the characteristic peak must be done in SF6/Xe plasma to compare fluorine intensity with Si etch rate. The relative fluorine intensity was constant when He was added to SF6 plasma, and SF6 conversion increased with fractional He flow rate. Whereas for SF6/Xe plasma, the SF6 conversion was nearly constant when Xe was added to SF6 plasma, and the relative fluorine intensity decreased with fractional Xe flow rate. Under low power and high pressure conditions, the pure SF6 plasma was in CCP mode. When helium of xenon was added to SF6 plasma, the plasma changed to ICP mode and the silicon etch rate increased effectively.
In order to further increase Si etch rate, oxygen was added to SF6 plasma. The results show that plasma became stable when adding inert gas to SF6/O2 plasma under low power conditions, and the etching rate was enhanced significantly.
目次

中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
總目錄 IV
圖目錄 VIII
表目錄 XI
符號說明 XIII
第一章 前言 1
1.1研究動機 1
1.2研究目的 2
1.3論文架構 3
第二章 文獻回顧 4
2.1電漿簡介 4
2.2實驗氣體簡介 8
2.2.1全氟碳化物簡介 8
2.2.2惰性氣體簡介 9
2.2.3實驗用氣體簡介 9
2.2.4電漿中SF6與CF4及添加惰性氣體後之主要反應機制 11
2.3電漿蝕刻原理 12
2.3.1電漿蝕刻反應步驟 12
2.3.2電漿蝕刻方式 15
2.3.3蝕刻速率及其影響之參數 17
2.4電漿反應器簡介 19
2.5電感偶合式電漿蝕刻系統 20
2.6電漿診斷簡介及應用文獻之整理 25
2.7SF6電漿之其他相關文獻整理 29
第三章 研究方法與原理 33
3.1實驗規劃與系統設計 34
3.1.1實驗流程 34
3.1.2實驗設備 36
3.2電漿診斷儀器及原理 41
3.2.1電漿放射光譜儀 41
第四章 結果與討論 44
4.1 不同矽晶圓面積之探討 44
4.1.1 矽晶圓面積之估算 44
4.1.2 電漿蝕刻之均勻性 45
4.1.3 基板溫度與蝕刻速率之關係 46
4.1.4 不同矽晶圓面積之電漿性質 47
4.2 SF6混合電漿之光譜分析 49
4.2.1 SF6混合電漿之光譜定性分析 49
4.2.2 SF6混合電漿之光譜探討 52
4.2.3 SF6混合電漿之潘寧碰撞效應 62
4.3 電漿蝕刻負載效應模型 67
4.4 電漿參數與蝕刻速率及光譜之關係 73
4.4.1 電漿功率與蝕刻速率及光譜之關係 73
4.4.2 操作壓力與蝕刻速率及光譜之關係 81
4.4.3 惰性氣體之影響因子與蝕刻速率之關係 88
4.4.4 ICP和CCP mode與蝕刻速率之關係 91
4.5 添加氧氣與混合電漿性質之關係 96
4.5.1 不同SF6/O2配比與蝕刻速率之關係96
4.5.2 添加惰性氣體對SF6/O2電漿之影響 99
第五章 結論 101
建議 103
參考文獻 105
附錄A 113
附錄B 119
自述 122

圖目錄
圖2.1 電漿蝕刻反應步驟示意圖 12
圖2.2電漿蝕刻方式 (a) Sputtering (b) Pure chemical etching (c) Ion energy-driven etching (d) Ion-enhance inhibitor etching 15
圖2.3物理與化學蝕刻機制 16
圖2.4矽晶圓之電漿蝕刻過程 16
圖2.5平面ICP結構示意圖 21
圖2.6帶電荷粒子與磁場方向的迴旋運動 22
圖2.7感應電場產生原理 22
圖2.8操作壓力與平均自由徑之關係 24
圖3.1 實驗研究流程圖 35
圖3.2 實驗設備示意圖 38
圖3.3 反應器裝置示意圖 38
圖3.4 實驗設備實體圖 39
圖3.5 酸洗塔實體圖 39
圖3.6 放射光譜系統示意圖 40
圖3.7 Ar電漿之能階狀態圖 41
圖4.1a 實驗所用之矽晶圓 44
圖4.1b 不同矽晶圓位置之圖示 45
圖4.2 不同氦氣流量下,蝕刻速率與基材面積之關係 47
圖4.3 不同氙氣流量下,蝕刻速率與基材面積之關係 48
圖4.4 各進料氣體之光譜﹙500W,20mTorr,20sccm﹚ 50
圖4.5 不同面積下,混合電漿之放射光譜圖 53
圖4.6 不同矽晶圓面積下,F相對強度與蝕刻速率之關係 56
圖4.7 SF6/He混合電漿放射光譜(680~815nm) 58
圖4.8 SF6/Xe混合電漿放射光譜(680~815nm) 59
圖4.9 不同Xe配比下,蝕刻速率與F相對強度之關係 60
圖4.10 不同面積下,改變流量與F相對強度之關係 63
圖4.11 添加10%惰性氣體之全譜圖 (Ar 4sccm) 65
圖4.12 改變惰性氣體流量對Hα及Ar之影響 65
圖4.13 矽晶圓面積與蝕刻速率倒數之關係 68
圖4.14 添加惰性氣體對蝕刻速率之影響 74
圖4.15 蝕刻速率與F相對強度之關係 75
圖4.16 不同惰性氣體配比與蝕刻速率之關係 76
圖4.17 F相對強度與蝕刻速率之關係 77
圖4.18 不同功率下SF6相對解離率隨惰性氣體增加之變化 80
圖4.19 不同配比下之蝕刻速率 82
圖4.20 相對強度與蝕刻速率之關係 (30mTorr) 83
圖4.21 相對強度與蝕刻速率之關係 (60mTorr) 84
圖4.22 不同壓力下,配比與解離率之關係 87
圖4.23 不同壓力下SF6相對解離率隨惰性氣體增加之變化 92
圖4.24 不同SF6,增加He流量與蝕刻速率之關係 93
圖4.25 不同SF6,增加Xe流量與蝕刻速率之關係 94
圖4.26 SF6/O2電漿蝕刻及側壁保護示意圖 96
圖4.27 不同功率下,改變配比與蝕刻速率之關係 98
圖4.28添加惰性氣體對蝕刻速率之影響 100

表目錄
表2.1 SF6及CF4相對於CO2之GWP100值 8
表2.2 系統參作參數與電漿性質之關係 17
表2.3 電漿診斷之文獻整理 28
表2.4 其他相關之文獻整理 32
表3.1 電漿蝕刻參數 37
表3.2 實驗氣體種類、純度及來源 37
表4.1 不同蝕刻時間之結果 46
表4.2 F、He、Xe、Ar及S2放射波峰位置 51
表4.3 F與Ar之絕對強度 54
表4.4 F之相對強度與蝕刻速率 55
表4.5 不同SF6/He(Xe)配比下之結果 70
表4.6 不同CF4/He配比下之結果 71
表4.7 不同功率下之電漿性質 78
表4.8 不同壓力下之電漿性質 85
表4.9不同參數下之α值 89
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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