感性耦合放电中离子能量和角度分布的数值模拟研究

摘要

平面射频感性耦合等离子体源能够在低气压下产生高密度的等离子体，且具有无需外加磁场激励等优点，被广泛应用于半导体芯片处理工艺中。此外，通过在极板表面施加一个射频偏压源，可以实现对极板表面的离子能量分布（Ion Energy Distributions，IEDs）、离子角度分布（Ion Angular Distributions，IADs）以及离子通量的独立控制。其中，射频偏压源控制极板表面的IEDs和IADs，而线圈功率源控制离子通量。这些等离子体参量对等离子体辅助加工工艺具有极其重要的作用，尤其是在刻蚀工艺中，决定着刻蚀的效率以及刻蚀的剖面结构。由于IEDs、IADs以及离子通量均受到外界放电参数（射频偏压功率、射频偏压频率、混合气体比例、线圈功率以及气压）的调制，因此本文将针对平面感性耦合等离子体，采用一个混合模型，研究外界放电参数对极板表面的IEDs和IADs的影响。 在第一章中，首先介绍低温冷等离子体的应用背景，然后综述目前感性耦合等离子体中极板表面的IEDs和IADs的研究现状，最后提出了本文研究的目的及意义。 在第二章中，详细介绍了本文所用到的混合模型（二维流体模型、鞘层模型和离子蒙特卡洛模型）以及求解这些模型所采用的数值方法和涉及到的边界条件。 在第三章中，利用第二章所建立的混合模型研究了平面感性耦合Ar等离子体中，外界放电参数对极板表面的IEDs和IADs的影响。结果表明：当极板接地时，极板表面的IEDs在所有研究的放电条件下呈单峰分布，且峰值位置随着气压或者线圈功率的增加向低能量方向移动；当极板接射频偏压功率源时，随着偏压功率的增大或者偏压频率的减小，离子能量呈现出传统的双峰分布；随着线圈功率和气压的增大，双峰分布中高、低能峰的位置均向低能方向移动。在所考虑的放电条件下，极板表面上的离子角度分布近似为高斯分布；随着偏压功率的增大，角度分布中以小角度轰击到极板的离子所占比例增加；然而，随着偏压频率或者气压的增大，角度分布中大角散射比例增加，且角度分布的宽度变宽；改变线圈功率对极板表面的IADs影响不明显。 在第四章中，将第二章所建立的混合模型扩展到了Ar/O2放电，并系统地研究了平面感性耦合Ar/O2等离子体中，外界放电参数对极板表面的电子密度、O+密度、O2+密度和Ar+密度以及三种正离子的IEDs和IADs的影响。结果表明：各粒子密度随着偏压功率的增大而减少；随着偏压频率或者线圈功率的增大而增加；电子密度随着气压的减小或者O2含量的增加而减少，而O2+却呈现相反的变化趋势；O+密度随着气压的增加或者O2含量的增加先增加后减少。当固定其他放电参数不变，分别改变偏压功率、偏压频率、线圈功率以及气压时，极板表面的Ar+、O2+和O+的能量分布和角度分布的变化趋势与Ar等离子体中类似。但由于各离子质量不同，在相同的放电条件下，其能峰宽度略有不同。此外，本文还研究了Ar/O2比例的影响，研究发现随着氧气含量的增加，双峰位置整体向高能量方向移动，且各离子以更小的散射角打到极板上。 为了验证混合模型的可靠性，本文最后还利用减速场离子能量分析仪测量了Ar/O2感性耦合等离子体中偏压功率和O2比率对极板表面IEDs的影响，发现诊断结果与模拟结果在趋势上符合得很好。本文的研究结果很好地解释了外界放电条件对离子能量分布与角度分布的影响，这对于提高刻蚀效率与各向异性具有十分重要的意义。

目录

声明

1 绪论

1.1 低温冷等离子体技术的应用

1.2 ICP中极板表面离子能量和角度分布的研究现状

1.2.1 ICP中极板表面离子能量分布的研究现状

1.2.2 ICP中极板表面离子角度分布的研究现状

1.3 本文的研究内容与安排

2 混合模型

2.1 引言

2.2 二维流体力学模型

2.2.1 粒子数守恒方程

2.2.2 动量守恒方程

2.2.3 能量守恒方程

2.2.4 电磁场方程

2.2.5 数值方法

2.2.6 边界条件

2.3 鞘层模型

2.3.1 模型介绍

2.3.2 边界条件

2.4 离子蒙特卡洛模型

2.5 本章小结

3 感性耦合Ar等离子体中极板表面的离子能量和角度分布的数值模拟研究

3.1 引言

3.2 模型介绍

3.3 极板接地的情况

3.4 极板施加偏压的情况

3.5 本章小结

4 感性耦合Ar/O2等离子体中极板表面的离子能量和角度分布的数值模拟研究

4.1 引言

4.2 偏压极板表面等离子体密度的径向分布

4.3 偏压极板表面的离子能量分布

4.4 偏压极板表面的离子角度分布

4.5 实验诊断

4.5.1 实验装置

4.5.2 诊断结果

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

大连理工大学学位论文版权使用授权书