射频感性放电内背景气体输运机制对放电机理的影响

摘要

感性耦合等离子体源由于可以在低气压条件下产生高密度等离子体而在刻蚀工艺中有着广泛的应用。刻蚀工艺随着集成电路特征尺寸进入纳米量级，对等离子体分布的要求更加严格。又由于背景气体对反应腔室体区、器壁处等离子性质有明显的影响，因此控制背景气体输运对刻蚀过程有重要意义。
　　本研究使用COMSOL软件中ICP接口和SPF接口耦合氩气ICP放电等离子体和背景气体，具体实现思路为：仅考虑速度场影响时，SPF接口选择层流不可压缩模型模拟背景气体，ICP接口背景气体密度为恒定值；考虑速度场和压力场共同影响时，SPF接口选择层流可压缩模型模拟背景气体，ICP接口背景气体密度为背景气体压力场通过理想气体方程求得。模拟使用了传统ICP反应腔室，进气口在介质窗旁放电腔室顶端边缘处，出气口在腔室底部边缘处。固定气体温度为室温，温度场的影响有待继续研究。由于对流速度较小，纯对流场对氩气ICP放电的影响主要体现在对等离子体中较低速的中性粒子的影响上。对流场破坏了常见的关于腔室半高处平衡分布的Ars密度，对如下三个区域产生了较大影响：通过抑制Ars由腔室中心向侧壁处的扩散而使腔室上方近入口处Ars空间分布呈现压缩状态；促进Ars由腔室中心向侧壁处的扩散而使腔室下方近出口处Ars空间分布呈现拉伸状态；Ars数密度空间形貌通过空间密度梯度影响了径向扩散通量随其在腔室上方、下方即基台边缘处改变。由于Ars在器壁处扩散损耗减少、总通量峰值由器壁向基台转移而造成的Ars损耗减小，Ars密度增加。对流场直接影响Ars分布从而对电子产生影响。增加的Ars原子通过多步电离反应增加了电子数量，同时由于多步电离反应较低的阈值能量提高了电子温度。通过观察引入速度场和压力场后对流速度场大小，我们对比接近入口速度条件下单纯引入速度场和共同引入对流场和压力场情况发现，由于Ars数密度减小，使得Ars对流通量减小，进而对腔室边缘近壁和出口处Ars数密度空间分布的影响不再是主要机制。对流场和压力场对氩气ICP放电的影响主要体现在：Ar密度谷由腔室中心移向线圈下方，通过激发反应影响Ars峰值出现同样的变化趋势，同时，随Ars密度空间分布变化，多步电离率峰值向线圈下方移动现象明显。又由于多步电离反应率增加较激发反应率变化更加明显使得Ars消耗较产生更多，其数值减小。同时，多步电离反应增多使得电子密度峰值增加，电子温度峰值减小。由于此时空间形貌的改变与线圈位置有很大关系，我们对比了线圈向左、向后平移后的结果，发现线圈向左平移后对Ars峰值的影响更大。

目录

声明

1 引言

1.1 射频感性放电等离子体的研究背景和意义

1.1.1低温等离子体简介

1.1.2低温等离子体在集成电路制造工艺的应用

1.1.3射频感性耦合等离子体源工作原理

1.2等离子体模拟商业软件简介

1.2.1 COMSOL简介

1.2.2 有限元方法简介

1.3射频感性放电等离子体耦合背景气体的研究意义和现状

1.4本文的研究内容和结构安排

2 射频感性放电等离子体耦合背景气体的二维流体模拟理论模型

2.1 等离子体模型（含初始和边界条件）

2.2 背景气体流体模型

2.3 等离子体模型耦合背景气体模型的实现

3 耦合背景气体输运机制对等离子体模拟结果的影响

3.1背景气体速度场对等离子体模拟结果的影响

3.1.0 背景气体速度场、压力场

3.1.1 亚稳态氩原子数密度、通量

3.1.3电子特征量

3.1.4小结

3.2耦合背景气体速度场、压力场对等离子体模拟结果的影响

3.2.1 Ars对流通量、数密度

3.2.2 激发反应

3.2.3 多步电离反应

3.2.3平移线圈时影响

3.2.4小结

4 结论与展望

4.1 本文主要结论

4.2 展望

参考文献

附录A 反应截面

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢