雙頻容性耦合等離子體物理特性的混合模擬.pdf

1、雙頻容性耦合等離子體(dual-frcqucncy capacitively coupled plasma DF-CCP)源是半導(dǎo)體工業(yè)中重要的刻蝕設(shè)備，由于其可以產(chǎn)生大面積均勻的等離子體，通過調(diào)節(jié)高、低頻源的放電參數(shù)可以有效地控制等離子體密度與離子能量、角度分布，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本較低，符合工業(yè)生產(chǎn)上的要求，雙頻CCP源被廣泛應(yīng)用在新一代的半導(dǎo)體刻蝕機(jī)的生產(chǎn)上。雙頻CCP源中的各物理參量(如：密度、電勢(shì)、電場(chǎng)、離子能量與角度分布等)以及

2、其中的物理過程對(duì)等離子體刻蝕工藝有著直接的影響，有必要對(duì)其進(jìn)行深入細(xì)致的研究。而傳統(tǒng)的理論模型分別存在著計(jì)算精度不高，計(jì)算效率較低等缺陷，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)雙頻CCP中的物理過程進(jìn)行快速準(zhǔn)確的求解。為此，本文采用流體力學(xué).蒙特卡洛混合模型對(duì)雙頻CCP中的物理過程進(jìn)行全面的研究。該模型在整個(gè)放電區(qū)采用流體方法進(jìn)行快速求解，在鞘層區(qū)采用蒙特卡洛方法得出入射到極板上各種粒子的能量與角度分布，既提高了計(jì)算速度又保證了計(jì)算的精度。 在第二章中首先

3、采用一維的流體力學(xué)模型對(duì)刻蝕工藝中所關(guān)心的等離子體密度分布，鞘層區(qū)的鞘層電位降進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)等離子體密度主要受高頻電源的控制，提高高頻電源的頻率、電壓幅值與增加放電氣壓均能有效的提高等離子體密度。低頻電源對(duì)等離子體密度的影響很小，只有當(dāng)?shù)皖l頻率較高，高、低頻電源產(chǎn)生相互耦合時(shí)，提高低頻頻率可以增加等離子密度。在鞘層區(qū)由于電子與離子密度出現(xiàn)差異，使得該處的電場(chǎng)明顯增強(qiáng)，電子受到鞘層電場(chǎng)的作用獲得很高的能量，使得電子溫度在鞘層區(qū)有所升高。

4、 在第三章中采用一維的混合模型對(duì)雙頻CCP的Ar放電進(jìn)行了模擬，對(duì)入射到極板上的離子和高能中性粒子的能量與角度分布進(jìn)行了研究。雙頻CCP的離子能量分布呈現(xiàn)出多峰結(jié)構(gòu)，隨著放電氣壓的減小，轟擊到基片上的離子能量顯著增加。兩個(gè)射頻電源的參數(shù)也對(duì)離子能量分布有著顯著的影響。在一定的電壓幅值下，減小低頻源的頻率，可以使更多的離子有效的被低頻電源加速，使得轟擊到基板上的離子能量顯著增大。通過增大施加在低頻源上的電壓幅值可以使得離子在穿越鞘

5、層的過程中獲得更多的能量，轟擊到極板上的離子能量顯著增加。隨著高頻源頻率的增加，離子的碰撞效應(yīng)減小。離子角度分布在小角度區(qū)域存在明顯的峰值，多數(shù)離子以小于3。的角度垂直入射到極板上，增加低頻電壓與高頻頻率均能使更多的離子以小角度入射。高能中性粒子與Ar原子間的碰撞效應(yīng)占主導(dǎo)地位，入射到極板上的高能中性粒子能量小于離子能量，且入射角度遠(yuǎn)大于離子入射角度。最后，我們對(duì)混合模型得出的離子能量分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)能量分布中的能峰位置、寬度以

6、及能量平均值與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果基本符合，隨著放電參數(shù)的改變，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的變化趨勢(shì)也基本相同。 在第四章中對(duì)實(shí)際刻蝕工藝上應(yīng)用的CF4反應(yīng)性氣體進(jìn)行了--維的流體力學(xué)--蒙特卡洛混合模擬。結(jié)果表明：在其放電產(chǎn)物中，F(xiàn)+占較大的比重，其密度遠(yuǎn)大于電子密度，只比CF3+的密度稍小。由于受到鞘層電場(chǎng)的約束作用，負(fù)離子主要分布在等離子體區(qū)內(nèi)，在鞘層附近負(fù)離子密度迅速下降，電子密度在鞘層邊緣處接近正離子密度，由雙極擴(kuò)散形成鞘層電場(chǎng)

7、。CF4放電中正離子低能峰所對(duì)應(yīng)的能量更高，并且在低氣壓下，低能區(qū)(0-100eV)的離子分布幾乎為零。對(duì)于不同種類的離子，其能量分布曲線也各不相同，質(zhì)量較低的離子由于穿越鞘層時(shí)間較短，容易受到瞬時(shí)的高頻電場(chǎng)影響，使得其能量分布在雙峰的基礎(chǔ)上出現(xiàn)多個(gè)次級(jí)小峰，而質(zhì)量較大的離子受高頻電場(chǎng)調(diào)制不明顯，沒有次級(jí)峰的存在。模擬結(jié)果同時(shí)顯示了離子能量分布也會(huì)受到化學(xué)活性的影響，活性較高的CF3+離子，最容易與其他活性粒子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成其他種類的

8、離子并造成能量損失，因此入射到極板上CF3+的能量相對(duì)較低；F+由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的幾率相對(duì)較小，不容易與其他種類粒子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)損失能量，因而保持了較高的能量。 在第五章應(yīng)用二維混合模型對(duì)CF4放電進(jìn)行了模擬，主要考察了等離子體放電在徑向和軸向的二維特性以及裝置的幾何尺寸對(duì)等離子體參量的影響。結(jié)果表明，等離子體鞘層區(qū)在極板與側(cè)壁處的特性并不相同，在側(cè)壁處由于受射頻源影響較小，鞘層主要由雙極擴(kuò)散機(jī)制形成，鞘層較薄，徑向電場(chǎng)的強(qiáng)度較

9、小。在上下兩個(gè)極板附近，受到射頻電場(chǎng)的影響，鞘層區(qū)的厚度明顯增加，軸向電場(chǎng)的強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于側(cè)壁處的徑向電場(chǎng)。離子能量分布在整個(gè)電極區(qū)域內(nèi)基本保持不變，只是在電極的邊界處受到不同方向電場(chǎng)的影響而稍有不同；離子通量在電極區(qū)域內(nèi)呈均勻分布，在電極邊緣與側(cè)壁的區(qū)間內(nèi)，由于電場(chǎng)強(qiáng)度減小離子通量迅速衰減。離子角度分布隨徑向的變化更為明顯，在電極的中心區(qū)域，入射離子角度分布并沒有明顯的變化，但是在電極的邊緣處，由于受到較強(qiáng)徑向電場(chǎng)的影響離子的入射角度明