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MURORAN INSTITUTE OF TECHNOLOGY

弱電離気体プラズマの解析(CXVI)

電子スオーム法による SiF4の電子衝突断面積の推定

Studies on weakly ionized gas plasma (CXVI)

Estimation of electron collision cross sections in SiF4

using electron swarm method

○川口悟佐藤孝紀伊藤秀範 (室蘭工業大学) ○ Satoru Kawaguchi, Kohki Satoh and Hidenori Itoh (Muroran Institute of Technology)

平成25年度電気・情報関係学会北海道支部連合大会

2013年10月19日室蘭工業大学放電物理・電気材料・半導体・デバイス 80

F Si

Tetrafluorosilane


研究背景

Fluorocarbon plasma

CF2

CF３+

Si

SiO2

重合反応による成膜

CF2

F C

F C

エッチング

F C O

CO

F

O

SiF4

(電気学会技術報告第853号)

フルオロカーボン(FCs)プラズマによる

SiO2エッチングの高精度化

エッチング生成物であるSiF4ガスが

SiO2エッチングに影響を及ぼす

FCs+SiF4混合ガスにおける

• 放電プラズマの性質 (電子輸送係数)

• ラジカルとイオンの生成レート

を正確に把握することが重要

FCs+SiF4混合ガス中のプラズマシミュレーションを行うために必要とな

る両者の確かな電子衝突断面積セットが求められている


断面積の報告例および目的 SiF4の電子衝突断面積の測定，推定および理論計算値の報告例

• 振動励起qvib : Nagpal et al. (Appl. Phys. Lett. 68 (1996) 2189) Electron swarm method

: Kato et al. (J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 45 (2012) 095204) Beam method

• 運動量移行qvib : Kato et al. (J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 45 (2012) 095204) Beam method

• 電離qi : Kim et al. (AIP Conf. Proc. 543 (2000) 220) BEB Scaling

: Basner (AIP Conf. Proc. 680 (2002) 73) Beam method

• 電子付着qa : Iga et al. (Z. Phys. D. 24 (1992) 111) Beam method

• 中性解離qnd : Nakano et al. (J. Phys. D: Appl. Phys. 26 (1993) 1909) Beam method

断面積セットに関する我々の最近の報告

SiF4ガスの妥当な電子衝突断面積のセットの提案 Monte Carlo simulation (MCS)によって算出した電子輸送係数を実測値と比較

電子スオーム法によって実測値とよく一致する電子輸送係数が得られる電子衝突断面積を推定

研究目的

CF3I CHF3 川口ら : 電気学会プラズマ・パルスパワー・放電合同研資, PST-13-058,

PPT-13-043, ED-13-048 (2013), 1

川口ら: 平成25年度電気学会基礎・材料・共通部門大会論文集 (2013), 471


従来の報告をまとめたSiF4の断面積セット

• 電離 qi (12)

Basner (AIP Conf. Proc. 680

(2002) 73)

• 電子付着 qa (3)

Iga et al. (Z. Phys. D. 24

(1992) 111)

• 中性解離 qnd (4)

Nakano et al. (J. Phys. D: Appl.

Phys. 26 (1993) 1909)

• 運動量移行 qm

≥ 1.5 eV :

Kato et al. (J. Phys. B: At. Mol.

Opt. Phys. 45 (2012) 095204)

< 1.5 eV : 推定値

• 振動励起 qvib (3)

Nagpal et al. (Appl. Phys. Lett.

68 (1996) 2189)


SiF4ガス中の電子輸送解析

実効電離係数電子ドリフト速度

104

105

106

107

Ele

ctro

n d

rift

vel

oci

ty [c

m/s

]

6 8

12 4 6 8

102 4 6 8

1002

E/N [Td]

Pulse experiment (Hunter et al. (1989))

MCS (WFD)

80x10-18

60

40

20

0

(

) /

N [c

m2]

300250200150100500

E/N [Td]


MCS

Negative

differential

conductivity


提案する断面積セット



Previous set 本研究で提案するセット


提案する断面積セット: qa

Previous set 本研究で提案するqa

Iga et al. (1992)の実測値を1.5倍して使用

×1.5

×1.5

×1.5


10-20

10-19

10-18

10-17

10-16

10-15

10-14

10-13

Cro

ss s

ecti

on

[c

m2]

0.01 0.1 1 10 100 1000Electron energy [eV]

SiF3

+

F+

SiF+

Si+ SiF2

2+

SiF4

+

SiF2

+

SiF2+

Si3+

, F2+

Si2+

SiF3

2+

SiF3

SiF2

SiF

Si

提案する断面積セット: qiおよびqnd

本研究で提案するqi

qi : Basner (2002)の実測値をそのまま使用

qnd : Nakano et al. (1993)の実測値を7倍にして使用

Previous set


提案する断面積セット: qm

Previous set 本研究で提案するqm

• ≥ 3.0 eV : Kato et al.の実測値のエラーバーの範囲内(30%)で修正

• < 3.0 eV : 変更なし


qvibの検討 : 断面積の形状

Nagpal's qvib (1996) qvib (q = 60°) (Kato et al. (2012))

Differential cross section (DCS)の実測値より

= 7 eVにおけるqvibに共鳴構造があることが示唆される


qvibの検討 : 7eVにおける微分断面積

Nagpal's qvib (1996)

25x10-18

20

15

10

5

0

qD

CS [c

m2 /

sr]

180120600

Scattering angle [deg]

v4

v1v2

v3

DCS (Kato et al. (2012))

= 7 eV


25x10-18

20

15

10

5

0

qD

CS [c

m2 /

sr]

180120600

Scattering angle [deg]

v4

v1v2

v3

qvibの検討 : 7eVにおける積分断面積

Nagpal's qvib (1996) DCS (Kato et al. (2012))

Differential cross section (DCS)の実測値を用いて

独自にIntegral cross section (ICS)を算出

qqqq

dqq sin)cos1(),(2)(0

DCSICS = 7 eV


10-20

10-19

10-18

10-17

10-16

10-15

10-14

10-13

Cro

ss s

ecti

on [c

m2]

0.01 0.1 1 10 100 1000Electron Energy [eV]

v4

v3

v2×3

提案する断面積セット: qvib

CF4のqvib (伊藤ら (1996))

本研究で提案する qvib

7 eVにおいて共鳴構造をもち，かつ極大値が独自に算出したICSに近い値となるように推定


SiF4ガス中の電子輸送解析

実効電離係数電子ドリフト速度

104

105

106

107

Ele

ctro

n d

rift

vel

oci

ty [c

m/s

]6 8

12 4 6 8

102 4 6 8

1002

E/N [Td]


MCS w/ previous set (WFD)

MCS w/ present set (WFD)

30x10-18

25

20

15

10

5

0

-5

(

) /

N [c

m2]

300250200150100500E/N [Td]


MCS w/ previous set MCS w/ present set

Negative

differential

conductivity


SiF4-Arガス中の電子輸送解析

Arガスの断面積セットには

電気学会推奨のセット (電気学会技術報告第691号)を使用

10-20

10-19

10-18

10-17

10-16

10-15

10-14

Cro

ss s

ecti

on

[c

m2]

10-2

10-1

100

101

102

103

Electron energy [eV]

qm

qex

qi

Ar


SiF4-Ar混合ガス中の電子ドリフト速度

[SiF4] ≤ 0.2 % : 非常に良く一致

[SiF4] > 0.2 % : 極大値付近で一致せず

電子ドリフト速度

105

2

3

4

5

6

106

2

3

4

5

6

107

Ele

ctro

n d

rift

vel

oci

ty [

cm/s

]

0.1 1 10 100

E/N [Td]

SiF4 : Ar =

0 : 100 [%]

4.8 : 95.20.979 : 99.021

0.5 : 99.5

0.2 : 99.8

0.1 : 99.9

Pulse experiment (Nagpal et al. (1996))

MCS (Wm)


まとめ

電子スオーム法によってSiF4ガスの電子衝突断面積セットの推定を行うとともに，

Monte Carlo simulation(MCS)を用いてSiF4およびSiF4-Ar混合ガス中の電子輸送解

析を行った

従来の報告をまとめた断面積セット

従来の報告をまとめた断面積セットを用いて計算した実効電離係数および電

子ドリフト速度の値は実測値と一致しない

本研究で提案する断面積セット

推定した断面積セットを用いてMCSによって算出した実効電離係数()/N

および電子ドリフト速度WFDの計算値は，全範囲の換算電界E/Nにおいて実測

値と良く一致し，E/N = 40 Td付近に見られるNDCについても実測値と計算

値が良く一致した

SiF4-Ar混合ガス中の電子ドリフト速度の計算値は，[SiF4] ≤ 0.2 %において，

実測値と非常によく一致したが，SiF4混合率が上昇すると共に実測値と一致

せず，SiF4の断面積セットの更なる修正が必要である

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