22921.直流與射頻混合放電下容性耦合等離子體的picmcc模擬

1、博士學(xué)位論文直流與射頻混合放電下容性耦合等離子體的PIC／MCC模擬PIC／MCCSimulationsforCapacitivelyCoupledPlasmasinMixedDirectCurrentandRadioFrequencyDischarges作者姓名：堂拯漁學(xué)10902039指導(dǎo)教師：王基生塾援答辯日期：20140625大連理工大學(xué)DalianUniversityofTechnology大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文摘要低溫等離

2、子體技術(shù)在半導(dǎo)體制造工藝中發(fā)揮著重要的作用。由于容性耦合等離子體源(CapacitivelyCoupledPlasmas，CCP)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以在低氣壓放電下產(chǎn)生大面積均勻等離子體等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用到材料刻蝕和薄膜沉積等半導(dǎo)體制造工藝中。在過(guò)去幾十年里，微電子工業(yè)迅速發(fā)展，半導(dǎo)體器件的尺寸連續(xù)縮減，這對(duì)CCP源提出了更加嚴(yán)格的要求。為滿足這些要求，CCP源也在不斷發(fā)展，并衍生出許多獨(dú)具特點(diǎn)的新型CCP源，如目前最為廣泛使用的，并

3、能在一定程度上獨(dú)立控制等離子體密度和離子能量的雙頻CCP源，可以抑制表面充電效應(yīng)的直流／射頻CCP源，以及能夠靈活調(diào)節(jié)離子能量的電非對(duì)稱CCP源等。在這些CCP源的發(fā)展過(guò)程中，數(shù)值模擬作為研究CCP放電過(guò)程的主要輔助手段，發(fā)揮了重要的作用。利用數(shù)值模擬，不僅能夠給出等離子體的狀態(tài)參數(shù)隨放電參數(shù)的變化規(guī)律，還能夠解釋CCP放電中包含的各種物理機(jī)制，為優(yōu)化CCP源的設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。最常用的數(shù)值模擬方法為等離子體流體力學(xué)模擬和PIC／M

4、CC(Particlein—cell／MonteCarlocollision)模擬。盡管流體模擬具有計(jì)算量小，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但是流體模型無(wú)法研究等離子體中電子的動(dòng)理學(xué)行為，并且無(wú)法獲得各粒子的能量分布。而PIC／MCC模型是建立在第一性原理基礎(chǔ)之上的完全動(dòng)理學(xué)方法，能夠克服上述流體模型的缺點(diǎn)。但是PIC／MCC模擬的主要問(wèn)題是空間和時(shí)間步長(zhǎng)過(guò)小，模擬粒子數(shù)太多，導(dǎo)致計(jì)算量非常大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力越來(lái)越強(qiáng)，因此

5、，近些年來(lái)PIC／MCC模型方法開(kāi)始得到越來(lái)越多的應(yīng)用。本文研究的主要目的是：利用PIC／MCC模擬方法，研究射頻放電中含有直流偏壓的兩種新型CCP源，即直流／射頻CCP源和電非對(duì)稱CCP源。前者是在基片對(duì)面的電極上施加負(fù)直流電壓，進(jìn)而產(chǎn)生高能定向電子束流向基片，以抑制基片上的正離子充電效應(yīng)；后者是通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電源之間的相位角，利用電非對(duì)稱效應(yīng)在功率電極上自洽地生成直流電壓，進(jìn)而靈活地調(diào)節(jié)轟擊到基片上的離子能量。這兩種新型CCP源在

6、實(shí)驗(yàn)上都已經(jīng)證實(shí)可以獲得很好的結(jié)果，但是對(duì)等離子體內(nèi)部發(fā)生的物理過(guò)程，加熱機(jī)制的變化等都還不是很清晰。因此，本論文將利用PIC／MCC模擬方法從動(dòng)理學(xué)角度詳細(xì)地研究不同放電參數(shù)對(duì)等離子體密度、電勢(shì)、加熱率等的影響，并分析對(duì)應(yīng)的物理機(jī)制，為相關(guān)等離子體工藝腔室的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論參考和指導(dǎo)。第一章為緒論部分，介紹了等離子體源在微電子工業(yè)中的應(yīng)用，以及幾種常用的等離子體源，然后重點(diǎn)介紹了等離子體刻蝕工藝中的關(guān)鍵問(wèn)題，以及針對(duì)這些問(wèn)題而產(chǎn)生的