容性耦合等離子體的電磁效應(yīng)及相關(guān)問(wèn)題的理論研究和數(shù)值模擬.pdf

1、容性耦合等離子體(capacitively coupled plasma，CCP)源被廣泛地應(yīng)用于材料刻蝕和薄膜沉積等半導(dǎo)體制造工藝中。在CCP中，較高頻率下的放電可以產(chǎn)生較高密度的等離子體和較低能量的離子，因此近年來(lái)，甚高頻CCP受到人們?cè)絹?lái)越廣泛地關(guān)注。但對(duì)于這種甚高頻容性耦合放電，也存在著一些重要的問(wèn)題需要解決。隨著電源頻率的升高，當(dāng)電磁波的波長(zhǎng)與腔室尺寸接近時(shí)，電磁效應(yīng)（如駐波效應(yīng)和趨膚效應(yīng)）會(huì)導(dǎo)致等離子體密度分布的不均勻。目前

2、，甚高頻CCP中的電磁效應(yīng)己被實(shí)驗(yàn)測(cè)量所證實(shí)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中還觀察到非線性激勵(lì)的高次諧波。駐波效應(yīng)和高次諧波效應(yīng)使得放電中心處的等離子體密度變高，而在邊緣處的密度較低，從而影響實(shí)際工藝的徑向均勻性。此外，對(duì)于脈沖調(diào)制的CCP，脈沖信號(hào)與射頻信號(hào)之間的相位差，會(huì)直接影響整個(gè)脈沖周期中的等離子體特性，進(jìn)而影響實(shí)際的工藝過(guò)程。因此，非常有必要對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行深入細(xì)致的研究。
　　在第一章緒論中，首先簡(jiǎn)要介紹幾種常用的低溫等離子體源及其在微電

3、子工業(yè)中的應(yīng)用。此外，還重點(diǎn)綜述甚高頻容性耦合放電中電磁效應(yīng)的研究進(jìn)展及面臨的挑戰(zhàn)。
　　在第二章中，通過(guò)將電壓驅(qū)動(dòng)的Child定律鞘層與描述電磁波傳播的單鞘層傳輸線模型相結(jié)合，研究雙頻放電條件下，串聯(lián)共振效應(yīng)和駐波效應(yīng)之間的相互作用。結(jié)果表明，在放電中心區(qū)，由于鞘層塌縮而激勵(lì)的高次諧波，其頻譜主要由串聯(lián)共振頻率和一階表面波共振頻率疊加而成;而在電極邊緣，高次諧波頻率僅與串聯(lián)共振頻率相等;其次，當(dāng)發(fā)生非線性串聯(lián)共振現(xiàn)象時(shí)，電流密度

4、迅速增加，其幅值可以通過(guò)解析表達(dá)式進(jìn)行估算;最后，通過(guò)引入Hamiltonian量，描述了當(dāng)非線性串聯(lián)共振現(xiàn)象發(fā)生后，電流和電荷密度的動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程。
　　在第三章中，將第二章中采用的單鞘層傳輸線模型擴(kuò)展到全空間，并實(shí)現(xiàn)對(duì)三電極腔室結(jié)構(gòu)的掐述。該模型不僅考慮了非線性串聯(lián)共振現(xiàn)象，也包含了對(duì)稱和非對(duì)稱模式表面波的傳播。研究結(jié)果表明，當(dāng)驅(qū)動(dòng)源的頻率較低(30MHz)時(shí)，非線性串聯(lián)共振現(xiàn)象被激發(fā)，驅(qū)動(dòng)電極一側(cè)的鞘層幾乎隨之同步振蕩，即電

5、磁模型得到的結(jié)果與靜電極限下的結(jié)果類似，當(dāng)驅(qū)動(dòng)源的頻率較高(60MHz)時(shí)，駐波與被激發(fā)的高次諧波相互耦合，使得電子沉積功率密度的最大值出現(xiàn)在放電中心處。此外，通過(guò)對(duì)比不同頻率的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在高頻條件下，非對(duì)稱模式表面波對(duì)放電過(guò)程的影響更為顯著。
　　在第四章中，首先通過(guò)表面波的色散關(guān)系，對(duì)二維靜電粒子/蒙塔卡羅碰撞模型(Particle in Cell/Monte Carlo Collisions，PIC/MCC)模擬甚高頻容

6、性耦合放電的可行性進(jìn)行論證。隨后，根據(jù)這種PIC/MCC的模擬，研究非對(duì)稱模式表面波的駐波效應(yīng)以及其誘導(dǎo)的等離子體密度的回滯現(xiàn)象。當(dāng)其它放電參數(shù)不變時(shí)，通過(guò)往返調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓，等離子體存在兩種不同的穩(wěn)態(tài)，即低等離子體密度態(tài)和高等離子體密度態(tài)。在這兩種狀態(tài)下，PIC/MCC模擬得到的對(duì)稱模式和非對(duì)稱模式表面波的傳播特性與第三章中采用傳輸線模型得到的結(jié)果相吻合。此外，針對(duì)對(duì)稱和非對(duì)稱模式表面波的傳播，建立相應(yīng)的等效電路模型，并對(duì)回滯現(xiàn)象及其產(chǎn)

7、生的原因進(jìn)行詳細(xì)的分析，并且回路模型得到的結(jié)果隨氣壓和電源頻率的變化趨勢(shì)與PIC/MCC模擬得到的結(jié)果符合的很好。
　　在第五章中，采用一維的靜電PIC/MCC模型，研究脈沖調(diào)制雙頻容性耦合放電的特性，包括脈沖信號(hào)對(duì)等離子體密度、電離率和電流的影響。結(jié)果表明:當(dāng)采用脈沖信號(hào)調(diào)制高頻時(shí)，隨著脈沖頻率的降低，高頻電源關(guān)閉的時(shí)間較長(zhǎng)，等離子體獲得的能量有限，因此等離子體密度較低;當(dāng)脈沖頻率固定時(shí)，當(dāng)脈沖信號(hào)與高頻信號(hào)之間的相位差為θ=π

8、/2時(shí)，等離子體密度最高。這是由于在脈沖初期，當(dāng)θ=π/2時(shí)，鞘層的非對(duì)稱性激發(fā)的高次諧波最強(qiáng)，因此等離子體密度最高。此外，在不同的相位差下，時(shí)間平均的離子能量分布函數(shù)變化較小。當(dāng)采用脈沖信號(hào)調(diào)制低頻時(shí)，時(shí)間平均的等離子體密度隨相位差的變化趨勢(shì)與高頻調(diào)制類似，但離子能量分布函數(shù)的變化趨勢(shì)較為明顯，即當(dāng)θ=π/2時(shí)，高能離子減少。
　　最后，在第六章中，將主等離子體區(qū)的整體模型與鞘層區(qū)的流體/蒙特卡洛模型進(jìn)行雙向耦合，研究射頻容性鞘