容性耦合硅烷混合氣體放電在沉積與芯片相關(guān)的硅基薄膜中具有至關(guān)重要的作用。研究容性耦合硅烷等離子體特性以及其放電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理過(guò)程對(duì)優(yōu)化硅烷放電特性、開(kāi)發(fā)芯片新工藝流程具有非常重要的意義。數(shù)值模擬方法是研究容性耦合等離子體的重要手段之一,常用的數(shù)值模擬方法為流體力學(xué)方法,流體/MC(MonteCarlo)和粒子模擬(Particle-In-Cell/Monte Carlo,PIC/MC)。與其他方法相比,流體模擬既可以獲得等離子體中粒子的輸運(yùn)過(guò)程又兼容大量的化學(xué)反應(yīng)而成為研究復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)等離子體的重要工具,尤其在涉及幾百個(gè)化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜硅烷等離子體中具有不可替代的作用。另外,在硅烷放電中,塵埃顆粒在合適的放電條件下不可避免地出現(xiàn),而且足夠多的塵埃顆粒必然會(huì)改變硅烷等離子體的放電特性,因此很有必要通過(guò)數(shù)值模擬方法探討塵埃與等離子體之間的相互作用。本章內(nèi)容安排如下:第一章為緒論,介紹了沉積與刻蝕工藝面臨的一些挑戰(zhàn),論述了在容性耦合等離子體中所涉及的一些關(guān)鍵研究方向,闡述了相關(guān)硅烷混合氣體放電的研究進(jìn)展,同時(shí)總結(jié)了在硅烷放電中塵埃顆粒的研究概況。在第二章中,首先介紹了描述等離子體狀態(tài)的二維流體方程以及相應(yīng)的數(shù)值算法。隨后,針對(duì)SiH4/N20/Ar混合氣體放電過(guò)程,采用二維流體模型研究了 Ar或者SiH4氣體含量對(duì)等離子體特性的影響。模擬結(jié)果顯示,Ar亞穩(wěn)態(tài)原子的軸向密度在低氣壓下滿足拋物線分布而在高氣壓下會(huì)形成雙峰結(jié)構(gòu),而其他粒子的軸向密度分布不具備雙峰結(jié)構(gòu)。另外,在此混合氣體中,增加Ar含量可以提高等離子體中的電子密度,而降低Ar含量可以降低到達(dá)極板處的轟擊能量以及改善等離子體徑向均勻性。若固定Ar含量,減小硅烷含量可以在不增加轟擊能量的基礎(chǔ)上對(duì)等離子體均勻性進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外,通過(guò)分析到達(dá)極板處的中性粒子通量,發(fā)現(xiàn)SiH3、O、SiH2、SiH30和SiO等粒子通量較大,這些粒子可能是沉積氧化硅薄膜的主要?dú)庀嗲膀?qū)物。在第三章中,針對(duì)由SiH4/N2/02氣體維持的容性耦合等離子體,采用二維流體模型研究了放電腔室中引入介質(zhì)層對(duì)等離子體徑向均勻性的影響。同時(shí),通過(guò)改變外部放電參數(shù)系統(tǒng)化地學(xué)習(xí)了此混合氣體可能的氣相化學(xué)沉積前驅(qū)物。研究結(jié)果表明:當(dāng)施加介質(zhì)層到驅(qū)動(dòng)電極以后,等離子體的邊緣效應(yīng)被有效地抑制,從而使等離子體的徑向均勻性改善。通過(guò)分析沉積功率密度的空間分布,發(fā)現(xiàn)邊緣效應(yīng)并未完全消除。另外,與改變氣壓或者極板間距改善等離子體均勻性的方法相比,加入介質(zhì)層可以代替上述兩種方法實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體均勻性的調(diào)控。最后,通過(guò)分析在不同放電條件下各粒子極板處通量的變化趨勢(shì),發(fā)現(xiàn)沉積薄膜的主要前驅(qū)物是SiH3O、SiH2O、O、N和NO,而不是SiN和 HSiNH2。第四章,采用二維流體模型模擬了脈沖調(diào)制射頻容性耦合SiH4/N2/O2等離子體。我們主要調(diào)研了脈沖參數(shù)對(duì)SiH4/N2/O2等離子體特性的瞬時(shí)調(diào)制作用以及對(duì)徑向空間分布的影響。模擬結(jié)果顯示:在脈沖調(diào)制射頻等離子體中,電子、正離子和負(fù)離子可以獲得類似于連續(xù)放電的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過(guò)程,其中準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)不僅僅依賴于脈沖放電時(shí)間而且也依賴于所觀察的放電位置。在脈沖開(kāi)啟階段,電子溫度、電子密度以及電子碰撞源項(xiàng)會(huì)分別形成相應(yīng)的極大值,其中電子密度在達(dá)到極大值之前由于電子產(chǎn)生項(xiàng)小于擴(kuò)散損失項(xiàng)會(huì)出現(xiàn)極小值。另外,盡管脈沖放電可以降低極板處的轟擊能量,但是在脈沖開(kāi)啟時(shí)仍然會(huì)形成一個(gè)瞬時(shí)高能峰。此高能峰可能損害基片上薄膜的性能。最后,脈沖調(diào)制射頻等離子體可以在脈沖后輝光期減弱邊緣效應(yīng),增強(qiáng)等離子體的擴(kuò)散作用使平均等離子體密度的徑向空間均勻性得到較大改善,其中脈沖占空比是改善等離子徑向均勻性最有效的方法。第五章,采用流體/蒙特卡羅方法耦合塵埃模型,研究了塵埃與等離子體之間的相互作用。模擬結(jié)果顯示:尺寸較大的塵埃顆粒加入等離子體中將導(dǎo)致電子密度下降,電子溫度上升。而且,足夠多的大塵埃顆�？梢怨鹫x子和負(fù)離子密度在形成穩(wěn)態(tài)之前出現(xiàn)短暫的上升,隨后由于電子密度下降或者塵埃顆粒對(duì)離子的吸收促使離子密度下降。此外,在塵埃顆粒對(duì)等離子體影響較小的情況下,硅烷等離子體中的放電模式是α和反轉(zhuǎn)場(chǎng)模式共存。降低氣壓、頻率以及電壓可以減弱反轉(zhuǎn)場(chǎng)模式。然而,當(dāng)塵埃顆粒半徑逐步增大,硅烷等離子體由體區(qū)電場(chǎng)維持的體區(qū)模式增強(qiáng)。最后,我們也分析了外部參數(shù)對(duì)塵埃顆粒的空間分布以及施加在塵埃粒子上的電場(chǎng)力和離子拖拽力的影響。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O53
【部分圖文】：

?大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文???１緒論??１．１低溫等離子體技術(shù)在芯片加工中的應(yīng)用與面臨的挑戰(zhàn)??低溫等離子體在芯片制造工業(yè)中是非常重要的一架“馬車”，它已被廣泛應(yīng)用于芯??片制造中的沉積、刻蝕以及離子注入摻雜等工藝。圖１．１顯示了典型的芯片加工工藝：??在晶片上首先采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)（Ｐｌａｓｍａ－Ｅｎｈａｎｃｅｄ?Ｃｈｅｍｉｃａｌ?Ｖａｐｏｒ??Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＰＥＣＶＤ）沉積絕緣薄膜（沉積工藝）；第二步，把攜帶金屬掩膜的光刻膠覆蓋??在絕緣薄膜表面，采用光刻機(jī)對(duì)未被掩膜覆蓋的光刻膠刻蝕形成帶有圖案的光刻膠掩膜；??第三步，利用等離子體刻蝕技術(shù)把光刻膠掩膜圖案轉(zhuǎn)移到絕緣薄膜（刻蝕工藝）；第四步，??去除絕緣材料上的光刻膠、殘余物和顆粒；第五步，在絕緣薄膜表面，采用等離子體濺??射金屬靶沉積導(dǎo)電薄膜，上述工藝過(guò)程反復(fù)交替執(zhí)行，形成幾十層相互交叉的金屬和絕??緣薄膜，從而構(gòu)成復(fù)雜的芯片電路，連接數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的晶體管。??

??形貌發(fā)生改變，如圖１．２所示。因此，在研發(fā)等離子體工藝參數(shù)時(shí)，需要最大限度地減??少等離子體刻蝕溝槽的負(fù)載效應(yīng)和充電效應(yīng)，以及優(yōu)化等離子體中的粒子濃度以及比例。??？?’Ｖ?？＋？？？＋？?Ｐｌａｓｍａ?Ｖ嚴(yán)？？、？＋？？？?？?＋？？？＋??電子?離子?自由基??＆？＠?ｊｉ??黎１?，?＿?＃９??（ａ）?１?ｉｒ?＾?Ｃｃ）＂??圖１．２負(fù)載效應(yīng)⑻，電子陰影效應(yīng)（ｂ），離子和中性粒子效應(yīng)（ｃ）??Ｆｉｇ．?１．２?Ｌｏａｄｉｎｇ?ｅｆｆｅｃｔ?（ａ），ｅｌｅｃｔｒｏｎ?ｓｈａｄｉｎｇ?ｅｆｆｅｃｔ：ｃｈａｒｇｉｎｇ?（ｂ），ａｓ?ｗｅｌｌ?ａｓ?ｉｏｎ?ａｎｄ?ｎｅｕｔｒａｌ??ｆｌｕｘ?ｅｆｆｅｃｔ（?ｃ）??在等離子體沉積方面，控制沉積的不均勻性也非常重要。多年來(lái)，人們提出了諸多??方法改善等離子體的不均勻性分布，例如改變氣流布局和腔室結(jié)構(gòu)等。然而，等離子體??的均勻性除了受到放電參數(shù)和腔室結(jié)構(gòu)的影響以外，對(duì)外界環(huán)境的變化也非常敏感。最??典典型案例之一是Ｌａｍ公司研發(fā)人員Ｈ在沉積薄膜的圖案上發(fā)現(xiàn)了無(wú)法去除的定向殘??余不均勻性（某一物理量的空間分布數(shù)值減去每個(gè)圓周上的平均值即可獲得殘余不均勻??性

１．２容性耦合等離子體涉及的若干問(wèn)題??在低溫等離子體領(lǐng)域，容性耦合等離子體源是進(jìn)行沉積薄膜的主要設(shè)備之一，它??結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與電路中的電容器類似。如圖１．４，電源通過(guò)匹配器與電極相連，其中放電??由射頻源驅(qū)動(dòng)（射頻源，按照電氣和電子工程協(xié)會(huì)建立的分頻標(biāo)準(zhǔn)，又可以細(xì)分為四個(gè)??頻段：低頻，３０到３００?ｋＨｚ；中頻，３００到３０００?ｋＨｚ；高頻，３到３０?ＭＨｚ；；甚高頻，??３０到３００?ＭＨｚ）。射頻容性耦合裝置的放電本質(zhì)是借助振蕩的射頻電場(chǎng)加速電子，隨之，??高能電子電離和分解背景氣體的過(guò)程，因此外界電源的絕大部分能量耦合在電子上，以??電子加熱的方式為主。由于電子的慣性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于離子的慣性，在靠近電極附近處，電子??將被電場(chǎng)快速“推出”形成一段正電荷區(qū)域，即鞘層。鞘層邊緣在射頻電場(chǎng)的作用下做??振蕩運(yùn)動(dòng)。振蕩的射頻鞘層邊緣反彈快速運(yùn)動(dòng)的電子使其加速獲得能量，這就是電子隨??機(jī)加熱效應(yīng)［３］。隨機(jī)加熱在低氣壓下是電子加熱的主導(dǎo)機(jī)制
【參考文獻(xiàn)】

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1 黃亮;二氧化硅和氮化硅薄膜的原子層沉積反應(yīng)機(jī)理及前驅(qū)體分子設(shè)計(jì)[D];中國(guó)地質(zhì)大學(xué);2015年

本文編號(hào)：2847234