放電手法制御によるプラズマプロセス精密制御機構の解明とその応用

• Project/Area Number: 23K03368
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 14030:Applied plasma science-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 鎌滝 晋礼 九州大学, システム情報科学研究院, 准教授 (60582658)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2025: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2023: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: 任意波形電圧放電 / プラズマCVD / プラズマ制御 / プラズマプロセス / 放電手法制御

Outline of Research at the Start

現在、プラズマプロセスは大規模集積回路製造前工程の70%以上に使用されており、現代社会を支える基幹科学技術として発展している。プロセスプラズマ中のイオン・ラジカルの密度と運動エネルギーを制御することで、集積回路の微細化及び3次元高層化が達成されている。今後は、エッチングや薄膜堆積の精度がnmに突入し、原子レベルでのプロセス制御が強く求められる段階になっている。この要求に応えるには、反応に寄与するイオン・ラジカルを精度よく選択生成する新規放電手法の開発及びその制御機構の解明を行う。

Outline of Annual Research Achievements

現在、プラズマプロセスは大規模集積回路製造前工程の70%以上に使用されており、現代社会を支える基幹科学技術として発展している。プロセスプラズマ中のイオン・ラジカルの密度と運動エネルギーを制御することで、集積回路の微細化及び3次元高層化が達成されている。今後のさらなる微細化及び複雑化した半導体製造において、反応に寄与するイオン・ラジカルを精度よく制御できる放電手法が求められている。
本研究は、任意波形電圧放電手法を用いてプラズマ内部パラメータであるイオン角度分布関数、イオンエネルギー分布関数、電子エネルギー分布関数などを制御できることを示し、その適用可能範囲を定量的に明らかにし、その機構を解明すること及び成膜への応用を目的に研究を行っている。1年目は、どのような任意波形電圧放電が、電子エネルギー分布関数制御及びイオン角度分布関数、イオンエネルギー分布関数を制御可能かどうかの研究を主に行った。2周波重畳放電において、重畳周波数がイオンプラズマ周波数近傍より小さい周波数にすると、イオン一個あたりのエネルギーが急激に増大することを明らかにした。従来イオンプラズマ周波数以下にバイアス電圧周波数を設定することは知られているが、その周波数依存性は詳細に調べておらず、イオン園ルギーの急激な減少だけでなく、さらに重畳周波数を低くするとエネルギーは減少することも示した。また、イオン及び電子のプラズマ密度分布が重畳周波数で空間的に揺らぐことからシース厚の時空間的揺動がイオン角度分布にも影響を与えることが示唆された。また、単一周波数を高周波にした場合と、2周波放電における重畳周波数をより高い高周波(27MHz以上)に設定した場合を比較したところ、プラズマのバルク部とシース部でも規格化された電場揺動が2周波放電の方が大きく電子エネルギー分布関数に関連するパワー吸収を効率的に行える可能性を示した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今年度予定していた検討事項のうち、予定していた項目1) どのような任意波形電圧放電が、電子エネルギー分布関数制御及びイオン角度分布関数、イオンエネルギー分布関数を制御可能かどうかの検証について、2周波重畳周波数における周波数依存性を調べることで、おおかた明らかになるなど、研究目的を着実にクリアできているため、概ね順調に進んでいると判断した。

Strategy for Future Research Activity

2年目にあたる2024年度は、任意波形電圧放電において2周波重畳放電だけでなく、sin波やノコギリ波のAM変調放電や、2周波重畳放電において入射パワー密度を一定にした場合とそうでない場合にプラズマ内部パラメータにどのような影響がでるか検証する。また、2周波重畳放電において基本的な2倍高調波との組み合わせにおいて、二つの波形の位相を制御することで、放電電圧を一定に保ちながら、自己バイアス電圧を制御する手法であるが、基本波と2倍高調波の組み合わせ方を工夫することで、自己バイアス電圧を一定にしながら、放電電圧を制御することを検討しており、このような任意波形電圧放電がプラズマ及び成膜においてどのような影響を与えるかを検証する。

Research Products

• [Journal Article] Low-temperature fabrication of silicon nitride thin films from a SiH4+N2 gas mixture by controlling SiNx nanoparticle growth in multi-hollow remote plasma chemical vapor deposition (2023)
  • Author(s): Kamataki Kunihiro、Sasaki Yusuke、Nagao Iori、Yamashita Daisuke、Okumura Takamasa、Yamashita Naoto、Itagaki Naho、Koga Kazunori、Shiratani Masaharu
  • Journal Title: Materials Science in Semiconductor Processing Volume: 164 Pages: 107613-107613
  • DOI: 10.1016/j.mssp.2023.107613
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Effects of tailored voltage waveform discharges on deposition of hydrogenated amorphous carbon films by CH4/Ar capacitively coupled plasma (2023)
  • Author(s): M. Otaka, H. Otomo, K. Ikeda, J. Lai, K. Kamataki, T. Okumura, N. Yamashita, N. Itagaki, K. Koga, M. Shiratani, T. Shindo, S. Tanaka, T. Matsudo
  • Organizer: ICPIG2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of Ne mixing on plasma enhanced chemical vapor deposition of a-C:H films using CH4/Ar/Ne capacitively coupled discharges (2023)
  • Author(s): K. Ikeda, M. Otaka, H. Otomo, T. Arima, J. Lai, K. Kamataki, D. Yamashita, T. Okumura, N. Yamashita, H. Kiyama, N. Itagaki, K. Koga, M. Shiratani, T. Shindo, S. Tanaka, T. Matsudo
  • Organizer: ICPIG2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of lower discharge frequency on ion energy distribution function in dual frequency plasma studied by particle-in-cell/Monte Carlo method (2023)
  • Author(s): J. Lai, T. Arima, M. Otaka, K. Ikeda, I. Nagao, K. Kamataki, D. Yamashita, N. Yamashita, N. Itagaki, T. Okumura, K. Koga, M. Shiratani
  • Organizer: ICPIG2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Control of ion trajectory in high aspect ratio trenches by using amplitude modulated rf discharges (2023)
  • Author(s): Nagao, Y. Yamamoto, K. Kamataki, T. Okumura, N. Yamashita, H. Kiyama, N. Itagaki, K. Koga, M. Shiratani
  • Organizer: ICPIG2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 任意波形放電を用いた水素化アモルファスカーボン膜の膜質制御 (2023)
  • Author(s): 大高真寛,大友洋, 池田築, 頼建勲, 脇田大地, 鎌滝晋礼, 山下直人, 板垣奈穂, 古閑一憲, 白谷正治, 進藤崇央, 田中諭志, 松土龍夫
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 任意電圧波形放電による容量結合プラズマにおける重畳周波数の効果：PIC-MCCモデル (2023)
  • Author(s): 頼 建勳, 鎌滝 晋礼, 山下 大輔, 奥村 賢直, 山下 尚人, 板垣 奈穂, 古閑 一憲, 白谷 正治
  • Organizer: 2023年(令和5年度)応用物理学会九州支部学術講演
• [Presentation] PECVD を用いた a-C:H 成膜における添加希ガス種における成膜機構の違い (2023)
  • Author(s): 池田築, 大高真寛，大友洋，脇田大地，頼建勲，鎌滝晋礼, 山下大輔，奥村賢直，山下尚人，板垣奈穂，古閑一憲, 白谷正治, 進藤崇央，松土龍夫
  • Organizer: プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部 第27回 支部大会
• [Presentation] 任意波形放電による水素化アモルファスカーボン成膜：イオンフラックスが膜質に与える影響 (2023)
  • Author(s): 脇田大地，大高真寛，池田築，頼建勲，大友洋，鎌滝晋礼，山下直人，板垣奈穂，古閑一憲，白谷正治，進藤崇央，松土龍夫
  • Organizer: プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部 第27回 支部大会
• [Presentation] 放電電圧変調波形が高周波容量結合プラズマに与える影響：PIC-MCC シミュレーション (2023)
  • Author(s): 長尾伊織，山本祐馬，佐藤優志，鎌滝晋礼，山下尚人, 奥村賢直，木山治樹，板垣奈穂，古閑一憲，白谷正治
  • Organizer: プラズマ・核融合学会 九州・沖縄・山口支部 第27回 支部大会
• [Remarks] 九州大学 プラズマ工学研究室
  • URL: http://plasma.ed.kyushu-u.ac.jp/index.html