容性耦合等離子體的電磁效應及相關問題的理論研究和數(shù)值模擬.pdf

1、容性耦合等離子體(capacitively coupled plasma，CCP)源被廣泛地應用于材料刻蝕和薄膜沉積等半導體制造工藝中。在CCP中，較高頻率下的放電可以產(chǎn)生較高密度的等離子體和較低能量的離子，因此近年來，甚高頻CCP受到人們越來越廣泛地關注。但對于這種甚高頻容性耦合放電，也存在著一些重要的問題需要解決。隨著電源頻率的升高，當電磁波的波長與腔室尺寸接近時，電磁效應（如駐波效應和趨膚效應）會導致等離子體密度分布的不均勻。目前

2、，甚高頻CCP中的電磁效應己被實驗測量所證實。同時，實驗中還觀察到非線性激勵的高次諧波。駐波效應和高次諧波效應使得放電中心處的等離子體密度變高，而在邊緣處的密度較低，從而影響實際工藝的徑向均勻性。此外，對于脈沖調(diào)制的CCP，脈沖信號與射頻信號之間的相位差，會直接影響整個脈沖周期中的等離子體特性，進而影響實際的工藝過程。因此，非常有必要對這些問題進行深入細致的研究。
　　在第一章緒論中，首先簡要介紹幾種常用的低溫等離子體源及其在微電

3、子工業(yè)中的應用。此外，還重點綜述甚高頻容性耦合放電中電磁效應的研究進展及面臨的挑戰(zhàn)。
　　在第二章中，通過將電壓驅(qū)動的Child定律鞘層與描述電磁波傳播的單鞘層傳輸線模型相結合，研究雙頻放電條件下，串聯(lián)共振效應和駐波效應之間的相互作用。結果表明，在放電中心區(qū)，由于鞘層塌縮而激勵的高次諧波，其頻譜主要由串聯(lián)共振頻率和一階表面波共振頻率疊加而成;而在電極邊緣，高次諧波頻率僅與串聯(lián)共振頻率相等;其次，當發(fā)生非線性串聯(lián)共振現(xiàn)象時，電流密度

4、迅速增加，其幅值可以通過解析表達式進行估算;最后，通過引入Hamiltonian量，描述了當非線性串聯(lián)共振現(xiàn)象發(fā)生后，電流和電荷密度的動力學演化過程。
　　在第三章中，將第二章中采用的單鞘層傳輸線模型擴展到全空間，并實現(xiàn)對三電極腔室結構的掐述。該模型不僅考慮了非線性串聯(lián)共振現(xiàn)象，也包含了對稱和非對稱模式表面波的傳播。研究結果表明，當驅(qū)動源的頻率較低(30MHz)時，非線性串聯(lián)共振現(xiàn)象被激發(fā)，驅(qū)動電極一側(cè)的鞘層幾乎隨之同步振蕩，即電

5、磁模型得到的結果與靜電極限下的結果類似，當驅(qū)動源的頻率較高(60MHz)時，駐波與被激發(fā)的高次諧波相互耦合，使得電子沉積功率密度的最大值出現(xiàn)在放電中心處。此外，通過對比不同頻率的結果，可以發(fā)現(xiàn)在高頻條件下，非對稱模式表面波對放電過程的影響更為顯著。
　　在第四章中，首先通過表面波的色散關系，對二維靜電粒子/蒙塔卡羅碰撞模型(Particle in Cell/Monte Carlo Collisions，PIC/MCC)模擬甚高頻容

6、性耦合放電的可行性進行論證。隨后，根據(jù)這種PIC/MCC的模擬，研究非對稱模式表面波的駐波效應以及其誘導的等離子體密度的回滯現(xiàn)象。當其它放電參數(shù)不變時，通過往返調(diào)節(jié)驅(qū)動電壓，等離子體存在兩種不同的穩(wěn)態(tài)，即低等離子體密度態(tài)和高等離子體密度態(tài)。在這兩種狀態(tài)下，PIC/MCC模擬得到的對稱模式和非對稱模式表面波的傳播特性與第三章中采用傳輸線模型得到的結果相吻合。此外，針對對稱和非對稱模式表面波的傳播，建立相應的等效電路模型，并對回滯現(xiàn)象及其產(chǎn)

7、生的原因進行詳細的分析，并且回路模型得到的結果隨氣壓和電源頻率的變化趨勢與PIC/MCC模擬得到的結果符合的很好。
　　在第五章中，采用一維的靜電PIC/MCC模型，研究脈沖調(diào)制雙頻容性耦合放電的特性，包括脈沖信號對等離子體密度、電離率和電流的影響。結果表明:當采用脈沖信號調(diào)制高頻時，隨著脈沖頻率的降低，高頻電源關閉的時間較長，等離子體獲得的能量有限，因此等離子體密度較低;當脈沖頻率固定時，當脈沖信號與高頻信號之間的相位差為θ=π

8、/2時，等離子體密度最高。這是由于在脈沖初期，當θ=π/2時，鞘層的非對稱性激發(fā)的高次諧波最強，因此等離子體密度最高。此外，在不同的相位差下，時間平均的離子能量分布函數(shù)變化較小。當采用脈沖信號調(diào)制低頻時，時間平均的等離子體密度隨相位差的變化趨勢與高頻調(diào)制類似，但離子能量分布函數(shù)的變化趨勢較為明顯，即當θ=π/2時，高能離子減少。
　　最后，在第六章中，將主等離子體區(qū)的整體模型與鞘層區(qū)的流體/蒙特卡洛模型進行雙向耦合，研究射頻容性鞘