容性耦合氢等离子体放电中电磁效应与电非对称效应的流体力学模拟

发布时间：2020-06-10 00:02

【摘要】：容性耦合等离子体源的应用十分广泛,针对大尺寸薄膜沉积和刻蚀工艺,如何能够在对离子通量和离子能量进行独立控制的同时,保持较高的反应速率,并获得均匀的等离子体分布,是制约微电子工业发展的关键。研究表明,如果放电由多谐波叠加的电压源共同驱动,通过调节基频和二倍频之间的相位差,可以改变上下极板附近鞘层的对称性,最终引起电非对称效应(electrical asymmetry effect,EAE)。而当高次谐波处于甚高频范围时,尽管可以产生较高密度的等离子体,但在甚高频放电中,容易引起电磁效应,进而影响等离子体的径向均匀性。由此可见,需要深入研究电非对称效应与电磁效应的相互作用,进而优化等离子体工艺过程。本文利用二维流体力学模型,并耦合麦克斯韦方程组,系统地研究了容性耦合氢等离子体中,当放电由多谐波叠加的电压源驱动时,不同放电参数下电磁效应与电非对称效应对等离子体特性的影响。模拟结果表明:(1)在采用连续的多谐波电压波形(方程(1.1))驱动放电时,随着谐波阶数6)的增大,自偏压(1_((9(8)的幅值随之增大。并且,不同谐波阶数下的自偏压(1_((9(8)随相位角_1的变化趋势不尽相同,变化周期从π变为2π。此外,在同一谐波阶数下,自偏压(1_((9(8)随不同倍频相位角_(9))的变化趋势也不相同。在利用最高倍频相位角_(6))进行调节时,自偏压的变化幅度会减小。(2)在采用不连续的多谐波电压波形(基频、二倍频及最高倍频叠加,方程(3.5))驱动放电时,自偏压(1_((9(8)随相位角_1的变化趋势与6)=2时的一样,变化周期为π。当增大谐波阶数6)时,自偏压幅值波动较小。在采用基频和最高倍频叠加的电压波形(方程(3.2))驱动放电时,随着谐波阶数6)的增加,自偏压(1_((9(8)的幅值减小,且随相位角_1的变化趋势发生变化。(3)在采用连续的多谐波电压波形(方程(1.1))驱动放电时,当基频频率为13.56 MHz,电压幅值(1_0=100 V,气压为200 mTorr,相位角_1=180°时,等离子体的径向均匀性最好。且在一个周期内,轴向功率密度有三个正向峰值,这导致在同样的位置出现大量的电离过程。在周期结束时刻,径向功率密度存在一个明显的峰值,并且该峰值在相位角_1=180°时最低,这表明通过调节谐波间的相位角,可以改善等离子体的径向均匀性。但是,在不同的放电参数下,该调节作用的强弱是不同的。当电压幅值(1_0增大时,调节作用增强;随着放电气压的增大,调节作用减弱;基频频率增大时,调节作用减弱。(4)在采用多谐波叠加的电压波形驱动放电时,改变电压幅值的比值,或者直接采用不同的电压波形,均会显著影响等离子体的径向均匀性。但在改变电压波形的优化结构后,自偏压(1_((9(8)的幅值会减小,且当基频频率增大时,等离子体的径向均匀性变差。以上结果表明,不同的电压波形,对直流自偏压的大小及变化趋势的影响都是不一样的。在容性耦合氢等离子体放电中,通过改变谐波间的相位角,可以对等离子体径向分布的均匀性等特性进行调节,且在不同的放电条件下,调节作用有所不同。本论文的研究结果对于利用电非对称效应优化等离子体工艺过程非常重要,尤其是考虑高次谐波时,可以有效地抑制电磁效应引起的不均匀性。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O53

【参考文献】