隨著半導體器件的尺寸趨于納米量級,原子層刻蝕工藝已經(jīng)成為微電子工業(yè)進一步發(fā)展的必要技術手段。對于原子層刻蝕工藝,用于刻蝕的能量粒子必須滿足三個基本要求:能量低、能量分布集中以及通量便于調(diào)控,這對于低溫等離子體(Low Temperature Plasma,LTP)源提出了極為嚴峻的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的LTP源如射頻容性耦合等離子體(Capacitively Coupled Plasma,CCP)電子溫度高,易于損傷基片,目前還難以滿足原子層刻蝕的要求。對比之下,電子束驅動的LTP源能夠輸送大通量的低能離子至基片表面,非常適合應用于原子層刻蝕。因此,研究電子束驅動的LTP源對發(fā)展原子層刻蝕工藝具有重要意義。本論文采用改進的隱式PIC/MCC(Particle-In-Cell/Monte Carlo Collision)動理學方法,研究了純電子束驅動的LTP、電子束驅動的射頻CCP、電子束和直流驅動源聯(lián)合驅動的LTP三種電子束驅動的LTP源。電子束驅動的LTP源的物理特性隨著等離子體放電運行參數(shù)的演變規(guī)律目前尚未完全清楚,因此本論文重點研究了電子束的電流、電子束的能量和放電的工作氣壓對電子束驅動的LTP源的等離子體密度、電子能量分布、離子通量和離子能量分布等的調(diào)制,期望為電子束驅動的LTP源應用于原子層刻蝕工藝提供理論上的參考。本論文主要的研究內(nèi)容和結果如下:1.研究了電子束的電流、電子束的能量和放電的工作氣壓對純電子束驅動的LTP放電特性的調(diào)制。結果表明:(I)純電子束驅動的LTP的等離子體均勻性良好,等離子體密度至少為10~166 m~(-3)量級;電子能量分布函數(shù)(Electron Energy Distribution Function,EEDF)為攜帶高能尾的類Druyvesteyn分布,低能(?(27)1eV)電子濃度極高;離子通量可以達到10~266 m~(-2)s~(-1)量級;轟擊電極的低能(?(27)5eV)離子比例在99%以上。(II)增大電子束電流或電子束能量,等離子體密度和電子溫度單調(diào)上升。(III)增大工作氣壓,電子的加熱模式由α模式主導轉換為類γ模式主導。(IV)增大電子束電流,EEDF趨于Druyvesteyn分布;減小電子束能量,EEDF趨于麥克斯韋分布;增大工作氣壓,EEDF趨于雙麥克斯韋分布。(V)減小電子束電流或電子束能量,離子能量分布變緊湊,超低能量(?(27)0.5eV)的離子占比進一步增加,表明了調(diào)制離子的能量分布是可行的。調(diào)節(jié)電子束的電流或放電的工作氣壓,離子通量可以發(fā)生量級以上的變化,對應的離子能量僅變化數(shù)倍,表明了電子束的電流和放電的工作氣壓對于離子通量的調(diào)制更為靈敏。2.研究了從射頻源對面電極注入電子束對射頻CCP的調(diào)制。結果表明:注入電子束能夠對射頻CCP的等離子體密度和電子溫度進行分離調(diào)制。其中,等離子體密度提高了數(shù)倍,增長至接近10~(17) m~(-3)的量級,電子溫度卻從3 eV附近降至1 eV以下。我們發(fā)現(xiàn):(I)注入電子束對射頻CCP的電子能量概率函數(shù)具有控制作用且使其往低能端移動。(II)注入電子束使射頻CCP極板處的電子通量和離子通量顯著提高。其中,電子通量增大了一個數(shù)量級,離子通量增大了5倍,能量小于1 eV的電子通量占總通量的時間-平均百分比增大了8倍。這些低能電子有效改善了射頻CCP對于原子層刻蝕工藝的適用性。3.研究了電子束與直流源聯(lián)合驅動的LTP源的放電特性。結果表明:電子束與直流源聯(lián)合驅動的LTP放電的等離子體均勻性良好,其離子具有能量低、通量大和便于調(diào)控等優(yōu)點,非常適用于原子層刻蝕。我們發(fā)現(xiàn):(I)對于電子束從陰極注入的放電模式,提高電子束的能量,等離子體密度、電子溫度、電子通量和離子通量均單調(diào)下降;增大電子束的電流,等離子體密度、電子溫度、電子通量和離子通量均單調(diào)增加。(II)對于電子束從接地電極注入的放電模式,等離子體密度、電子溫度、電子通量和離子通量均隨注入電子束能量的增大先增加后下降。當注入電子束的能量小于等離子體的總約束勢能時,碰撞截面是影響有效電離的主要因素,此時等離子體密度、電子溫度、電子通量和離子通量隨著電子束能量的增大而增大。當注入電子束的能量大于等離子體約束勢能時,有效參與電離碰撞的電子數(shù)成為影響有效電離的主要因素,此時等離子體密度、電子溫度、電子通量和離子通量隨著電子束能量的增大而減小。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：O53
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 低溫等離子體與微電子工業(yè)
    1.2 原子層刻蝕的關鍵問題及其解決方法
    1.3 電子束驅動的低溫等離子體源的研究進展
    1.4 本文研究的主要內(nèi)容與擬解決的問題
2 PIC/MCC模型
    2.1 概述
    2.2 顯格式PIC算法
    2.3 隱格式PIC算法
    2.4 MCC模型
    2.5 收斂測試
    2.6 本章小結
3 電子束驅動純氬氣等離子體放電特性的模擬
    3.1 引言
    3.2 模型與參數(shù)
    3.3 電子束的電流大小對氬氣放電特性的調(diào)制
    3.4 電子束的能量大小對氬氣放電特性的調(diào)制
    3.5 等離子體氣壓大小對氬氣放電特性的調(diào)制
    3.6 離子通量和極板表面的離子能量分布函數(shù)
    3.7 本章小結
4 電子束注入對射頻容性耦合等離子體的調(diào)制
    4.1 引言
    4.2 模型與參數(shù)
    4.3 調(diào)制等離子體密度與電子溫度
    4.4 調(diào)制電子的能量分布
    4.5 調(diào)制電子通量和離子通量
    4.6 本章小結
5 電子束與直流源聯(lián)合驅動氬氣放電特性的模擬
    5.1 引言
    5.2 模型與參數(shù)
    5.3 電子束從陰極驅動氬氣放電
    5.4 電子束從接地極驅動氬氣放電
    5.5 從陰極/接地極驅動放電的對比
    5.6 本章小結
6 全文總結與工作展望
    6.1 本文工作總結
    6.2 下一步工作展望
致謝
參考文獻
附錄1 攻讀碩士學位期間發(fā)表的主要論文

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本文編號：2885118