磁場對容性及感應(yīng)耦合等離子體性質(zhì)影響的數(shù)值模擬研究.pdf

1、半導(dǎo)體工業(yè)領(lǐng)域中， CCP，即容性耦合等離子體(Capacitively Coupled Plasmas）和ICP，即感應(yīng)耦合等離子體（Inductively Coupled Plasmas）被廣泛應(yīng)用于材料刻蝕、薄膜沉積和表面改性等工藝中。特別是基于上述兩種等離子體的等離子體增強化學(xué)氣相沉積技術(shù)（PECVD）具有溫度低、沉積速率快、成膜質(zhì)量好不易龜裂等優(yōu)點，在半導(dǎo)體工業(yè)中，是一種重要的薄膜沉積技術(shù)。數(shù)值模擬是基礎(chǔ)研究氣體放電中各種物理

2、化學(xué)過程和優(yōu)化工業(yè)設(shè)備的主要手段之一。通過數(shù)值模擬，不僅能夠深入了解其中包含的各種物理過程，而且能夠得到精確的定量結(jié)果，從而使工業(yè)設(shè)備開發(fā)的周期和成本大大降低。因此，基于數(shù)值模擬的ICP和CCP研究成為相關(guān)研究的熱點之一，有大量的相關(guān)工作發(fā)表。
　　氧氣放電的CCP或ICP常用于沉積氧化物薄膜和等離子體清洗和去灰工藝中，在工業(yè)界中有廣泛的應(yīng)用，因此得到了廣泛的關(guān)注和研究。另一方面，在ICP和CCP放電中，放電電流比較小，所以往往自

3、身的磁場可以被忽略，只需考慮作用比較大的電場，故而很小的外磁場便可以使得電子磁化，從而改變等離子體性質(zhì)。一方面人們針對氧氣放電的CCP和ICP都有廣泛的研究，但是已經(jīng)發(fā)表的都側(cè)重于沒有磁場的情形；另一方面，外加磁場對于等離子體放電的影響也有了較為深入的認(rèn)識，但是目前大多研究的是電正性的氬氣放電。對于外加磁場對于氧氣放電的影響，并沒有相關(guān)的工作發(fā)表，尤其是外加磁場對等離子體重要參數(shù)如粒子密度、電子溫度等的影響。
　　低溫等離子體中常

4、用的數(shù)值模擬方法有流體模型和PIC/MC(Particle-in-cell/Monte Carlo)模型兩種。流體模型優(yōu)勢很多，如它的計算量較小，程序很穩(wěn)定，而且比較易于耦合化學(xué)反應(yīng)模塊。目前流體模型已經(jīng)有了2D或3D、全電磁的算法，被廣泛應(yīng)用于優(yōu)化設(shè)計工業(yè)設(shè)備中。利用流體方法，本文研究了外加磁場對等離子體主要參數(shù)密度、電子溫度、電子能量分布函數(shù)及離子能量分布函數(shù)的影響，從而揭示了磁場增強的ICP和CCP放電對于氧氣放電的影響以期為氧化

5、物薄膜制備、等離子體清洗和去灰等相關(guān)工藝提供參考。
　　第一章簡單介紹了等離子體概念以及其應(yīng)用背景和常見的幾種等離子體源，以及氧化物薄膜沉積的研究進(jìn)展。
　　第二章詳細(xì)介紹了模擬使用到的流體力學(xué)/電子蒙特卡洛混合模型以及模型中用到的主要算法。
　　第三章以圓柱形容性耦合等離子體為模型，主要模擬了加入了非均勻外磁場后氧氣放電的變化。通過對比未加入磁場時氧氣放電的模擬結(jié)果和相同條件下電正性氬氣放電的模擬的結(jié)果，我們可以看到

6、，電正性氣體比電負(fù)性氣體易于收斂，等離子體密度隨磁場的增加而增大。這是由于外磁場的增加使得電子回旋半徑減小，從而電子平均自由程減小、電子行為受到限制的。磁場也導(dǎo)致了鞘層厚度變薄，使得離子能量分布函數(shù)的低能粒子份額增加。
　　第四章中以圓柱形感應(yīng)耦合等離子體為模型，模擬了外加磁場對氧氣放電的影響。ICP放電中，采用線圈產(chǎn)生的磁場，較之于第三章，磁場比較均勻，延伸到主等離子區(qū)。通過與未加磁場結(jié)果的對比，我們得到等離子密度隨磁場的增大而