双频容性耦合等离子体物理特性的混合模拟

摘要

双频容性耦合等离子体(dual-frcqucncy capacitively coupled plasma DF-CCP)源是半导体工业中重要的刻蚀设备，由于其可以产生大面积均匀的等离子体，通过调节高、低频源的放电参数可以有效地控制等离子体密度与离子能量、角度分布，并且结构简单成本较低，符合工业生产上的要求，双频CCP源被广泛应用在新一代的半导体刻蚀机的生产上。双频CCP源中的各物理参量(如：密度、电势、电场、离子能量与角度分布等)以及其中的物理过程对等离子体刻蚀工艺有着直接的影响，有必要对其进行深入细致的研究。而传统的理论模型分别存在着计算精度不高，计算效率较低等缺陷，无法实现对双频CCP中的物理过程进行快速准确的求解。为此，本文采用流体力学.蒙特卡洛混合模型对双频CCP中的物理过程进行全面的研究。该模型在整个放电区采用流体方法进行快速求解，在鞘层区采用蒙特卡洛方法得出入射到极板上各种粒子的能量与角度分布，既提高了计算速度又保证了计算的精度。 在第二章中首先采用一维的流体力学模型对刻蚀工艺中所关心的等离子体密度分布，鞘层区的鞘层电位降进行了研究。发现等离子体密度主要受高频电源的控制，提高高频电源的频率、电压幅值与增加放电气压均能有效的提高等离子体密度。低频电源对等离子体密度的影响很小，只有当低频频率较高，高、低频电源产生相互耦合时，提高低频频率可以增加等离子密度。在鞘层区由于电子与离子密度出现差异，使得该处的电场明显增强，电子受到鞘层电场的作用获得很高的能量，使得电子温度在鞘层区有所升高。 在第三章中采用一维的混合模型对双频CCP的Ar放电进行了模拟，对入射到极板上的离子和高能中性粒子的能量与角度分布进行了研究。双频CCP的离子能量分布呈现出多峰结构，随着放电气压的减小，轰击到基片上的离子能量显著增加。两个射频电源的参数也对离子能量分布有着显著的影响。在一定的电压幅值下，减小低频源的频率，可以使更多的离子有效的被低频电源加速，使得轰击到基板上的离子能量显著增大。通过增大施加在低频源上的电压幅值可以使得离子在穿越鞘层的过程中获得更多的能量，轰击到极板上的离子能量显著增加。随着高频源频率的增加，离子的碰撞效应减小。离子角度分布在小角度区域存在明显的峰值，多数离子以小于3。的角度垂直入射到极板上，增加低频电压与高频频率均能使更多的离子以小角度入射。高能中性粒子与Ar原子间的碰撞效应占主导地位，入射到极板上的高能中性粒子能量小于离子能量，且入射角度远大于离子入射角度。最后，我们对混合模型得出的离子能量分布进行了实验验证，发现能量分布中的能峰位置、宽度以及能量平均值与实验测量的结果基本符合，随着放电参数的改变，理论计算与实验测量结果的变化趋势也基本相同。 在第四章中对实际刻蚀工艺上应用的CF4反应性气体进行了--维的流体力学--蒙特卡洛混合模拟。结果表明：在其放电产物中，F+占较大的比重，其密度远大于电子密度，只比CF3+的密度稍小。由于受到鞘层电场的约束作用，负离子主要分布在等离子体区内，在鞘层附近负离子密度迅速下降，电子密度在鞘层边缘处接近正离子密度，由双极扩散形成鞘层电场。CF4放电中正离子低能峰所对应的能量更高，并且在低气压下，低能区(0-100eV)的离子分布几乎为零。对于不同种类的离子，其能量分布曲线也各不相同，质量较低的离子由于穿越鞘层时间较短，容易受到瞬时的高频电场影响，使得其能量分布在双峰的基础上出现多个次级小峰，而质量较大的离子受高频电场调制不明显，没有次级峰的存在。模拟结果同时显示了离子能量分布也会受到化学活性的影响，活性较高的CF3+离子，最容易与其他活性粒子发生化学反应生成其他种类的离子并造成能量损失，因此入射到极板上CF3+的能量相对较低；F+由于发生化学反应的几率相对较小，不容易与其他种类粒子发生化学反应损失能量，因而保持了较高的能量。 在第五章应用二维混合模型对CF4放电进行了模拟，主要考察了等离子体放电在径向和轴向的二维特性以及装置的几何尺寸对等离子体参量的影响。结果表明，等离子体鞘层区在极板与侧壁处的特性并不相同，在侧壁处由于受射频源影响较小，鞘层主要由双极扩散机制形成，鞘层较薄，径向电场的强度较小。在上下两个极板附近，受到射频电场的影响，鞘层区的厚度明显增加，轴向电场的强度要远大于侧壁处的径向电场。离子能量分布在整个电极区域内基本保持不变，只是在电极的边界处受到不同方向电场的影响而稍有不同；离子通量在电极区域内呈均匀分布，在电极边缘与侧壁的区间内，由于电场强度减小离子通量迅速衰减。离子角度分布随径向的变化更为明显，在电极的中心区域，入射离子角度分布并没有明显的变化，但是在电极的边缘处，由于受到较强径向电场的影响离子的入射角度明显增大，绝大部分离子以更大的角度入射到电极上。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1等离子体微细加工

1.2几种常见的等离子体源

1.3双频容性耦合等离子体工作原理

1.4双频CCP等离子体的研究进展

1.5本文的研究内容及安排

2射频容性耦合Ar等离子体的一维流体力学模拟

2.1引言

2.2流体力学方程

2.3流体力学方程数值计算方法

2.4数值结果及讨论

2.5本章小结

3双频容性耦合Ar等离子体的一维流体力学蒙特卡罗混合模拟

3.1引言

3.2Ar离子在鞘层中运动的蒙特卡洛模拟方法

3.3混合模拟流程

3.4计算结果及讨论

3.4.1气压的影响

3.4.2低频电源频率的影响

3.4.3低频电压的影响

3.4.4高频频率的影响

3.5 Ar离子能量分布的实验验证

3.6本章小结

4双频CF4放电的一维混合模型

4.1引言

4.2混合模型描述

4.2.1化学反应

3.2.2 CR4等离子体中的流体模型方程

4.2.3 CF4等离子体鞘层的蒙特卡洛模型

4.3结果与讨论

4.3.1等离子体密度

4.3.2 CF4放电中的离子特性

4.3.3放电参数对离子能量与角度分布的影响

4.4本章小结

5双频CF4放电的二维混合模型

5.1引言

5.2二维混合模型描述

5.3计算结果与讨论

5.3.1电势与电场分布

5.3.2气压的影响

5.3.3低频电压的影响

5.4本章小结

6结论与展望

6.1本文主要结论

6.2今后工作的展望

参考文献

创新点摘要

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致谢