脉冲调制射频容性耦合SiH4/Ar放电混合模拟

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低温等离子体微电子加工技术对世界经济建设有巨大贡献,尤其在超大规模集成电路、微电子器件制造中,有近三分之一的工序用到等离子体技术,包括薄膜沉积和刻蚀工艺。其中等离子体增强化学气相沉积(Plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)技术是半导体工艺中薄膜沉积的关键技术之一,PECVD因其工作温度低、薄膜均匀性好、过程易控制等优点被广泛用于微电子制备工艺中。在众多工艺薄膜中,硅基薄膜因稳定性好,机械性能、光电性能高等优点,作为一种优质半导体功能薄膜备受青睐。在PECVD工艺过程中,电子温度、中性基团密度会直接影响沉积薄膜的质量。由于电子能量分布对电子温度、气体的解离系数起决定性作用,所以可以通过调节电子能量分布实现对电子温度、中性基团密度进行控制。在射频调制容性耦合等离子体(RadioFrequency Capacitively Coupled Plasma, RF-CCP)放电中,极板与放电中心形成一个双极电场,其中放电中心的主要靠欧姆加热使电子虏获能量,而鞘层区域加热机制主要是射频电流引起的无碰撞加热和随机加热。此外,CCP由于腔室结构对称、等离子体密度分布均匀而有利于生成均匀性的薄膜。脉冲调制射频等离子体放电,可以为沉积工艺提供更多的工艺参数,并且在脉冲关闭后负离子向极板逃逸,这对材料处理也非常有益。同时,一些沉积前驱粒子在脉冲关闭后向极板扩散,沉积时间延长,从而得到致密的薄膜。但是脉冲调制过程电子的产生和消失处于非动态平衡状态,因此电子能量分布偏离麦克斯韦分布。为了更好了解脉冲调制射频的放电机理,本文用一维流体/蒙特卡罗(fluid/Monte-Carlo, fluid/MC)混合模型对脉冲调制硅烷、氩气混合气体放电进行模拟,其中电子能量分布通过MC模型统计得到。研究发现电子能量分布和解离系数受脉冲调制影响较大,脉冲调制可以在低占空比、低脉冲频率下获得比连续波更高的高能电子和解离速率系数。同时,脉冲关闭后电子温度迅速下降,带电粒子能量降低,极板损伤减小。文章内容从以下三方面展开:第一章介绍了低温等离子体基础知识、等离子体硅基薄膜沉积技术以及脉冲调制在实验及理论上的研究进展。第二章介绍fluid/MC模型研究背景,模型双向耦合过程及fluid模块和MC模块的物理模型。第三章利用fluid/MC混合模型对脉冲调制SiH4/Ar放电过程进行模拟。主要研究了脉冲调制占空比、脉冲频率、气压及电压对脉冲调制放电过程中电子能量几率分布,电子温度,电子、离子及中性基团密度的影响。通过研究脉冲周期不同时刻不同物理条件下的电子能量几率分布变化趋势,对电子温度、等离子体密度变化趋势的机理进行深入研究。
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