Magnetrão RF ou MERIE · Outline |Introdução |MERIE: Magnetically Enhanced Reactive Ion Etcher...
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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
Outline
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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IntroduçãoMERIE: Magnetically Enhanced Reactive Ion Etcher
IdeiaDescrição do Modelo
• Modelo Homogéneo• Aquecimento das Baínhas• Equilíbrio
Resultados NuméricosMERIE Performance
EtchingConclusãoBibliografia
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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IntroduçãoMERIE: Magnetically Enhanced Reactive Ion Etcher
IdeiaDescrição do Modelo
• Modelo Homogéneo• Aquecimento das Baínhas• Equilíbrio
Resultados NuméricosMERIE Performance
EtchingConclusãoBibliografia
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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IntroduçãoMERIE: Magnetically Enhanced Reactive Ion Etcher
IdeiaDescrição do Modelo
• Modelo Homogéneo• Aquecimento das Baínhas• Equilíbrio
Resultados NuméricosMERIE Performance
EtchingConclusãoBibliografia
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
Resultados NuméricosMERIE Performance
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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IntroduçãoMERIE: Magnetically Enhanced Reactive Ion Etcher
IdeiaDescrição do Modelo
• Modelo Homogéneo• Aquecimento das Baínhas• Equilíbrio
Resultados NuméricosMERIE Performance
EtchingConclusãoBibliografia
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
−=⇔−=