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1 核融合プラズマからプラズマプロセスまで - プラズマ中の原子過程 - 研究会 Aug プロセスガス分子およびイオンの同時照射下における表面反応過程の解析 名古屋大学工学研究科電子情報システム専攻 豊田浩孝 高田昇治 木下欣紀 菅井秀郎 Department of Electrical Engineering and omputer Science, Nagoya University

2 核融合プラズマからプラズマプロセスまで - プラズマ中の原子過程 - 研究会 Aug プロセス装置における反応過程とプロセス制御 プラズマによる化学活性種の生成 電子衝突解離 電離 素過程データ 電子衝突断面積 活性種の輸送 気相反応 ラジカル 分子反応イオン 分子反応 反応速度定数 活性種の表面反応 それぞれの反応過程の理解と制御 プロセスコントロール???? Department of Electrical Engineering and omputer Science, Nagoya University

3 核融合プラズマからプラズマプロセスまで - プラズマ中の原子過程 - 研究会 Aug プラズマプロセスにおける表面反応 プラズマ気相成長 (PVD), N, ダイアモンド製膜 etc. 反応性イオンエッチング (Reactive Ion Etching: RIE) 中性ラジカル 2, 3 etc. 吸着層 表面反応層 中性ラジカル吸着 表面マイグレーション 吸着ラジカルの安定化 ( ネットワーク形成 ) イオン 固体材料 (, 2 etc.) 反応生成物 2, 4 Department of Electrical Engineering and omputer Science, Nagoya University S i ラジカル種のフラックス比イオン衝撃 膜構造や特性に大きく影響 ラジカルの表面吸着 イオン衝撃 吸着種と基板材質とのミキシングおよび化学反応 揮発性分子の脱離

4 核融合プラズマからプラズマプロセスまで - プラズマ中の原子過程 - 研究会 Aug 表面反応研究におけるビーム実験の必要性 プラズマプロセスにおける表面過程種々の中性ラジカル 分子 イオンが表面に同時照射それらのフラックス比 エネルギーの制御が容易でない 表面反応過程が極めて複雑で反応過程の理解が進まない 表面に入射する粒子のフラックスエネルギーを制御した表面反応実験の必要性 ビーム装置を用いた表面反応実験 Department of Electrical Engineering and omputer Science, Nagoya University

5 本トピック講演の概要 核融合プラズマからプラズマプロセスまで - プラズマ中の原子過程 - 研究会 Aug 従来の反応性イオンエッチング化学反応性の高いラジカル種に着目 本研究化学的に比較的安定であるが粒子密度の高い分子に着目 半導体製造プロセスにおける 2 / 選択エッチング表面反応 x y 分子 /Ar + 同時照射における表面反応 Department of Electrical Engineering and omputer Science, Nagoya University

6 核融合プラズマからプラズマプロセスまで - プラズマ中の原子過程 - 研究会 Aug / 選択エッチングにおける表面反応過程 2 / 選択エッチングとは中性ラジカルイオンレジスト 2 異方性 イオンの直進性側壁保護膜形成 ( ラジカル ) 下地選択性 イオンエネルギーフロロカーボン膜形成 ( ラジカルフラックス ) 中性ラジカルフラックス 被エッチング層 ( 2 ) エッチング促進 下地層 () のエッチング停止 イオンフラックス 異方性の確保 被エッチング層 ( 2 ) のエッチング促進 に重要 Department of Electrical Engineering and omputer Science, Nagoya University

7 フロロカーボンプラズマによる 2 / 選択エッチング 核融合プラズマからプラズマプロセスまで - プラズマ中の原子過程 - 研究会 Aug 本研究 ( フロロカーボン分子の反応への寄与 ) の背景 4 2 / 選択エッチング 2 x y 層 中性ラジカル, x イオン x+, Ar + Ar イオン + ガス分子 / 表面反応? ビーム実験によるこれまでの研究 : フロロカーボンイオンによる 2 エッチングへの寄与目的 : フロロカーボン分子 ( 親分子 ) のエッチング反応への寄与 x y /Ar + 同時照射実験 x y 単独照射 表面反応の観察エッチングイールドの評価実プロセスプラズマにおけるガス分子の寄与 Department of Electrical Engineering and omputer Science, Nagoya University

8 到達圧力 : 約 Torr 装置及びビーム照射法の概略 核融合プラズマからプラズマプロセスまで - プラズマ中の原子過程 - 研究会 Aug (2nm) Ar イオンビームソース部 Ionization ell TMP 1 基板の前処理 アセトンで超音波洗浄 2 表面クリーニング Ar + ビーム照射 Monochromated X-ray Substrate Motor-driven Sample Transfer ocusing Lens Quadrupole Mass ilter SEM 4eV,15nA e Substrate Spherical Liq-N 2 TMP TMP apacitor TMP ooled Detection Analyzer Baffle QMA 表面分析部表面反応部検出部 Department of Electrical Engineering and omputer Science, Nagoya University

9 分子ビームとイオンビームの照射 核融合プラズマからプラズマプロセスまで - プラズマ中の原子過程 - 研究会 Aug QMA Beam source Ar + 2 / Sample 2 ビームの生成と照射 Ionization ell Stainless Tube Molecules 4, 4 8, 5 8 Heating Area Ion Energy E : 5~9 ev lux Ratio R :.25 ~ 28 ( 分子 /Ar + ) 45 7A,1.5V Heater urrent Molecular Beam Thermocouple Total Ion Energy (ev) Beam source (ev) Substrate Bias (V) Hexafluoropropylene oxide Department of Electrical Engineering and omputer Science, Nagoya University

10 核融合プラズマからプラズマプロセスまで - プラズマ中の原子過程 - 研究会 Aug イオン 分子同時照射における 2 表面の変化 ( ガス種による違い ) Atomic omposition Atomic omposition End point End point Ar + luence (1 17 cm -2 ) End point x End pointまでのar + フルエンス 5 8 /Ar + < 4 8 /Ar + < Ar + Ar + luence (1 17 cm -2 ) エッチング初期の の急激な減少 の増加 Department of Electrical Engineering and omputer Science, Nagoya University

11 Atomic omposition Atomic omposition ev ev.8 End point 核融合プラズマからプラズマプロセスまで - プラズマ中の原子過程 - 研究会 Aug /Ar + 同時照射における表面組成の変化 ( イオンエネルギー依存性, R=2.5) Ar + luence (1 17 cm -2 ) Atomic omposition 9 ev End point Ar + luence (1 17 cm -2 ) 2 ev までは エッチング反応が緩やか 3 ev で エッチング反応を確認 エッチング初期における急激な の減少と の増加 2 x E=9 ev では 最もエッチング反応が促進 Department of Electrical Engineering and omputer Science, Nagoya University

12 核融合プラズマからプラズマプロセスまで - プラズマ中の原子過程 - 研究会 Aug エッチングイールドの Ar + エネルギー依存性 3 Ar + イオン 1 個入射したとき エッチングされる 2 分子の数 エッチングイールド Y の評価 Y = ρ d Φ Etching Yield Y x y /Ar + flux ratio R= Ar Ar + Energy E (ev) ρ : 2 number density d : 2 thickness(2 nm) Φ : Ar + fluence for 2 removal Y イオンエネルギーと共に増加 4 ev 以上 エッチング反応の促進 Y 5 8 > 2 >Ar + Department of Electrical Engineering and omputer Science, Nagoya University

13 4 /Ar + Atomic omposition Atomic omposition R=25 End point Ar + luence (1 17 cm -2 ) 核融合プラズマからプラズマプロセスまで - プラズマ中の原子過程 - 研究会 Aug 分子 /Ar + フラックス比 (R) の表面反応に及ぼす影響 4 /Ar + および 4 8 /Ar + 照射の場合 E=4 ev 一定 End point までのイオンフルエンス同時照射 < Ar + 物理スパッタ Rが25の場合 <Rが.25の場合 R=.25 Ar + End point Ar + luence (1 17 cm -2 ) 4 /Ar + 同時照射 R=.25の場合 膜なし R=25の場合 のみ6% 存在 4 8 /Ar + の場合 ( エッチングが促進 ) R=.25の場合 膜なし R=28の場合 が2%,が1% 存在 フロロカーボン膜が堆積 ( エッチングが促進 ) Department of Electrical Engineering and omputer Science, Nagoya University

14 Atomic omposition Atomic omposition R=.25 R=25 End point 減少 Ar + luence (1 17 cm -2 ) Ar + luence (1 17 cm -2 ) 核融合プラズマからプラズマプロセスまで - プラズマ中の原子過程 - 研究会 Aug 分子 /Ar + フラックス比 (R) の表面反応に及ぼす影響 5 8 の場合 フロロカーボン膜の堆積を確認 R=.25 R= Department of Electrical Engineering and omputer Science, Nagoya University 2 Ar + Ar + 膜エッチング終了 膜エッチストップ 非常に小さなエッチレート エッチストップ 2

15 核融合プラズマからプラズマプロセスまで - プラズマ中の原子過程 - 研究会 Aug エッチングイールドのフラックス比依存性 (XPS から評価 ) 1.5 Ion Energy = 4eV Y = ρ d Φ Etching Yield Y Ar + Etch Stop x y /Ar + lux Ratio R 4, 4 8 フラックス比の増加と共に増加 5 8 フラックス比 2.5 : 高エッチングイールド 25 : エッチストップ ( 2 /Ar + でも同じ ) 5 8 他の分子と比較してエッチング反応への寄与が顕著 Department of Electrical Engineering and omputer Science, Nagoya University

16 核融合プラズマからプラズマプロセスまで - プラズマ中の原子過程 - 研究会 Aug エッチングイールドのフラックス比依存性 ( 段差計による評価 ) Etching Yield Y ( ) Ar + Energy : 4eV ( 2 2 ) x y /Ar + lux Ratio R エッチング深さとエッチング時間エッチングイールドの評価 2 ではR=1において最大値となる ではRと共に単調に減少する Etching selectivity ( 2 /) Ar + Energy : 4eV x y /Ar + lux Ratio R 選択比 5 8 /Ar + では R=1において2 2 / 選択エッチング 2 /Ar + では R>1 において Department of Electrical Engineering and omputer Science, Nagoya University

17 核融合プラズマからプラズマプロセスまで - プラズマ中の原子過程 - 研究会 Aug フロロカーボン分子の表面反応性 XPS 1s - (a) 4 8 1s luence x1 15 cm -2 X XPS 1s (d) 4 8 1s luence 6.3x1 15 cm ev の Ar + ビームによって前処理し 表面に 未結合手がある 2 に分子だけを照射し XPS 分析 Ar + 未結合手 4 8, (b) 5 8 1s luence 6.3x1 15 cm (e) 5 8 1s luence 6.3x1 15 cm 表面上に 原子がない 結合を cm -2 のフルエンスで確認 しかし その後のスペクトル形状は変化しない luence (c) 2 1s 6.3x1 15 cm luence (f) 2 1s 6.3x1 15 cm , 2 表面上に 原子が存在している 明らかにフロロカーボン層が形成されている エッチング反応への寄与 5 8 > Binding Energy (ev) Binding Energy (ev) Department of Electrical Engineering and omputer Science, Nagoya University

18 5 8 照射による単分子層の形成 核融合プラズマからプラズマプロセスまで - プラズマ中の原子過程 - 研究会 Aug cm -2 のまで と の元素含有量は等しい 2 は リッチ 5 8 は リッチ 5 8 は cm -2 のフルエンスでほぼ飽和 2 表面に単分子フロロカーボン層を形成 5 8 分子の単独照射 2 ラジカルと比較できるほどフロロカーボン層を形成 5 8 分子のエッチング反応への寄与を示唆 モノレイヤー actor 1 15 cm -2 Ar + ビームで前処理をしない場合は 膜堆積はない 表面にダングリングボンドがある場合に膜が堆積 / Atomic Ratio Atomic omposition Time (sec) (a) lux : 7.x1 13 cm -2 s (b) Molecular luence (1 15 cm -2 ) Department of Electrical Engineering and omputer Science, Nagoya University

19 核融合プラズマからプラズマプロセスまで - プラズマ中の原子過程 - 研究会 Aug /Ar + 同時照射における表面反応の考察 分子と Ar イオンが 2 表面に同時に入射するときに起こる物理的 化学的プロセス 表面吸着 1アルゴンイオンと吸着 5 8 分子の直接衝突 ラジカル生成 エッチング 2アルゴンイオン照射によって誘起された衝突カスケードプロセスで運動エネルギーを得た格子原子 (や) と吸着 5 8 分子の衝突による振動励起 ラジカル生成 エッチング 3アルゴンイオン衝撃によって内部からはじき出されたおよび 原子と吸着 5 8 分子との衝突 ラジカル生成 エッチング 4 表面の未結合手と 5 8 分子が反応して 膜形成 ラジカル生成 エッチング Ar + エネルギー散逸 表面移動 1 2 or 3 Ar + 4 Ar + Department of Electrical Engineering and omputer Science, Nagoya University

20 まとめ 核融合プラズマからプラズマプロセスまで - プラズマ中の原子過程 - 研究会 Aug プラズマプロセスにおける表面反応過程特に分子 -イオン同時照射における表面反応過程ビーム実験による基礎実験 x y 分子 /Ar + 同時照射実験 ( 2 / 選択エッチング ) 近年の複雑なフロロカーボン分子利用フロロカーボン分子そのものによる表面反応過程 最後に. 表面反応過程に関する研究 - プラズマプロセスにおける反応過程の最後の段階 - 照射粒子表面状態が複雑に絡んだ反応過程 重要でありかつ非常に興味深い研究対象 Department of Electrical Engineering and omputer Science, Nagoya University

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