磁化容性耦合等离子体的PIC/MCC模拟研究

论文摘要

低气压下的容性耦合等离子体源(Capacitively Coupled Plasma,CCP)具有装置结构简单和成本经济的优点,被广泛应用于微电子工业中。随着微电子工业的飞速发展,工艺技术对等离子体源的要求越来越高,一些新的电源构型的CCP放电系统被提出来。直流/射频电源混合驱动的CCP源能有效抑制刻蚀过程中的局部充电效应,但其较低的等离子体密度影响了工艺过程中的刻蚀速率。电非对称的CCP源能独立控制到达极板的离子通量和离子轰击能量,从而满足集成电路制造过程中对线宽、选择性以及控制损害的要求。尽管针对上述电源构型的研究已经有很多,但是迄今为止没有研究工作将磁场的影响考虑进来,外磁场可以增加等离子体对电源功率的吸收,增强对电子的束缚,从而减少鞘层电压,提高等离子体密度,对改善等离子体参数起着非常重要的作用。因此,本论文的目的是系统地研究磁场对不同电源构型CCP源的影响,优化等离子体的放电参数,得到理想的等离子体工艺效果,为微电子工业中的工艺优化提供科学依据。采用一维PIC/MCC方法研究了磁场对直流/射频电源驱动CCP放电的影响。通过比较射频放电、直流/射频放电、磁化的射频放电和磁化的直流/射频放电这四种情况下的等离子体性质,发现在直流/射频电源驱动CCP放电系统中引入外磁场可以使等离子体密度提高一个量级。直流/射频电源驱动的磁化CCP源不仅保留了传统CCP源的优点,如装置结构简单和成本经济,也突破了传统CCP源密度低的限制,该构型有望为微电子工业中的刻蚀等工艺提供一种新型的等离子体源,具有较为重要的意义。采用一维PIC/MCC方法研究了磁场对CCP中电非对称性效应的影响,模拟了磁场耦合气压、射频电压、二次电子发射系数对等离子体性质的影响。研究发现在弱磁场下,等离子体的密度可以在一定程度内增加且自偏压几乎不受影响;在较强磁场下,二次电子对放电的影响十分显著,等离子体密度可以提高一个量级,但自偏压会减小,从而使离子轰击能量的可调范围减小。研究结果表明在电非对称性放电系统中引入外磁场,不仅能保持对离子通量和离子轰击能量的独立控制能力,还可以在一定程度上提高等离子体密度和离子通量,从而提高工艺速率。采用一维PIC/MCC方法研究了磁场对电非对称性CCP放电系统中加热机制的影响和磁场引起的加热模式转换问题,模拟了不同磁场强度和谐波数下的等离子体性质,如自偏压、等离子体密度、离子通量和离子轰击能量等。研究发现在弱磁场下,电子加热处于无碰撞加热模式,此时等离子体密度较低;在强磁场下,电子加热处于欧姆加热模式,等离子体密度可提高一个量级。通过加大磁场强度可以使CCP放电系统中的电子加热模式从无碰撞加热向欧姆加热转换。采用一维PIC/MCC方法研究了非均匀磁场对CCP放电的影响。在放电空间引入一个磁场梯度,使到达两侧极板上的离子通量不相等,因此在外电路的隔直电容或者极板上绝缘基片的作用下,极板一侧会自洽地形成自偏压。自偏压使等离子体密度、电子加热率和电离率分布变得不对称,通过改变磁场梯度可以调节自偏压的大小,从而实现对离子轰击能量的调控。磁不对称性效应成为了一种能引起等离子体不对称性和产生自偏压的新方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 低温等离子体
•   1.2 CCP的研究
•   1.3 本文研究内容与安排
• 2 PIC/MCC数值模拟方法介绍
•   2.1 概述
•   2.2 PIC方法
•   2.3 MCC模型
•   2.4 本章小结
• 3 磁场对直流/射频电源驱动的CCP性质的影响
•   3.1 引言
•   3.2 模拟参数介绍
•   3.3 磁场强度的影响
•   3.4 二次电子发射系数的影响
•   3.5 本章小结
• 4 磁场对CCP中电非对称性效应的影响
•   4.1 引言
•   4.2 模拟参数介绍
•   4.3 磁场对电非对称性效应的影响
•   4.4 磁场与气压、射频电压和二次电子对等离子体的影响
•   4.5 本章小结
• 5 剪裁电压波形驱动的磁化CCP中的加热机制
•   5.1 引言
•   5.2 模拟参数介绍
•   5.3 磁场对等离子体性质的影响
•   5.4 电子加热机制和加热模式转换
•   5.5 本章小结
• 6 CCP中的磁不对称性效应
•   6.1 引言
•   6.2 模拟参数介绍
•   6.3 不均匀磁场引起的非对称性效应
•   6.4 放电参数对磁非对称效应的影响
•   6.5 本章小结
• 7 全文总结与工作展望
•   7.1 本文工作总结
•   7.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文
• 附录2 攻读博士学位期间申请的发明专利和其他成果
• 附录3 博士生期间参与的课题研究情况

文章来源

类型: 博士论文

作者: 杨莎莉

导师: 姜巍

关键词: 容性耦合等离子体,粒子蒙特卡洛模拟,磁场,直流,射频电源驱动,电非对称性效应

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 华中科技大学

分类号: O53

总页数: 143

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