电子束驱动低温等离子体源的动理学模拟研究

发布时间：2020-11-15 19:29

　　 随着半导体器件的尺寸趋于纳米量级,原子层刻蚀工艺已经成为微电子工业进一步发展的必要技术手段。对于原子层刻蚀工艺,用于刻蚀的能量粒子必须满足三个基本要求:能量低、能量分布集中以及通量便于调控,这对于低温等离子体(Low Temperature Plasma,LTP)源提出了极为严峻的挑战。传统的LTP源如射频容性耦合等离子体(Capacitively Coupled Plasma,CCP)电子温度高,易于损伤基片,目前还难以满足原子层刻蚀的要求。对比之下,电子束驱动的LTP源能够输送大通量的低能离子至基片表面,非常适合应用于原子层刻蚀。因此,研究电子束驱动的LTP源对发展原子层刻蚀工艺具有重要意义。本论文采用改进的隐式PIC/MCC(Particle-In-Cell/Monte Carlo Collision)动理学方法,研究了纯电子束驱动的LTP、电子束驱动的射频CCP、电子束和直流驱动源联合驱动的LTP三种电子束驱动的LTP源。电子束驱动的LTP源的物理特性随着等离子体放电运行参数的演变规律目前尚未完全清楚,因此本论文重点研究了电子束的电流、电子束的能量和放电的工作气压对电子束驱动的LTP源的等离子体密度、电子能量分布、离子通量和离子能量分布等的调制,期望为电子束驱动的LTP源应用于原子层刻蚀工艺提供理论上的参考。本论文主要的研究内容和结果如下:1.研究了电子束的电流、电子束的能量和放电的工作气压对纯电子束驱动的LTP放电特性的调制。结果表明:(I)纯电子束驱动的LTP的等离子体均匀性良好,等离子体密度至少为10~166 m~(-3)量级;电子能量分布函数(Electron Energy Distribution Function,EEDF)为携带高能尾的类Druyvesteyn分布,低能(?(27)1eV)电子浓度极高;离子通量可以达到10~266 m~(-2)s~(-1)量级;轰击电极的低能(?(27)5eV)离子比例在99%以上。(II)增大电子束电流或电子束能量,等离子体密度和电子温度单调上升。(III)增大工作气压,电子的加热模式由α模式主导转换为类γ模式主导。(IV)增大电子束电流,EEDF趋于Druyvesteyn分布;减小电子束能量,EEDF趋于麦克斯韦分布;增大工作气压,EEDF趋于双麦克斯韦分布。(V)减小电子束电流或电子束能量,离子能量分布变紧凑,超低能量(?(27)0.5eV)的离子占比进一步增加,表明了调制离子的能量分布是可行的。调节电子束的电流或放电的工作气压,离子通量可以发生量级以上的变化,对应的离子能量仅变化数倍,表明了电子束的电流和放电的工作气压对于离子通量的调制更为灵敏。2.研究了从射频源对面电极注入电子束对射频CCP的调制。结果表明:注入电子束能够对射频CCP的等离子体密度和电子温度进行分离调制。其中,等离子体密度提高了数倍,增长至接近10~(17) m~(-3)的量级,电子温度却从3 eV附近降至1 eV以下。我们发现:(I)注入电子束对射频CCP的电子能量概率函数具有控制作用且使其往低能端移动。(II)注入电子束使射频CCP极板处的电子通量和离子通量显著提高。其中,电子通量增大了一个数量级,离子通量增大了5倍,能量小于1 eV的电子通量占总通量的时间-平均百分比增大了8倍。这些低能电子有效改善了射频CCP对于原子层刻蚀工艺的适用性。3.研究了电子束与直流源联合驱动的LTP源的放电特性。结果表明:电子束与直流源联合驱动的LTP放电的等离子体均匀性良好,其离子具有能量低、通量大和便于调控等优点,非常适用于原子层刻蚀。我们发现:(I)对于电子束从阴极注入的放电模式,提高电子束的能量,等离子体密度、电子温度、电子通量和离子通量均单调下降;增大电子束的电流,等离子体密度、电子温度、电子通量和离子通量均单调增加。(II)对于电子束从接地电极注入的放电模式,等离子体密度、电子温度、电子通量和离子通量均随注入电子束能量的增大先增加后下降。当注入电子束的能量小于等离子体的总约束势能时,碰撞截面是影响有效电离的主要因素,此时等离子体密度、电子温度、电子通量和离子通量随着电子束能量的增大而增大。当注入电子束的能量大于等离子体约束势能时,有效参与电离碰撞的电子数成为影响有效电离的主要因素,此时等离子体密度、电子温度、电子通量和离子通量随着电子束能量的增大而减小。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O53
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 低温等离子体与微电子工业
    1.2 原子层刻蚀的关键问题及其解决方法
    1.3 电子束驱动的低温等离子体源的研究进展
    1.4 本文研究的主要内容与拟解决的问题
2 PIC/MCC模型
    2.1 概述
    2.2 显格式PIC算法
    2.3 隐格式PIC算法
    2.4 MCC模型
    2.5 收敛测试
    2.6 本章小结
3 电子束驱动纯氩气等离子体放电特性的模拟
    3.1 引言
    3.2 模型与参数
    3.3 电子束的电流大小对氩气放电特性的调制
    3.4 电子束的能量大小对氩气放电特性的调制
    3.5 等离子体气压大小对氩气放电特性的调制
    3.6 离子通量和极板表面的离子能量分布函数
    3.7 本章小结
4 电子束注入对射频容性耦合等离子体的调制
    4.1 引言
    4.2 模型与参数
    4.3 调制等离子体密度与电子温度
    4.4 调制电子的能量分布
    4.5 调制电子通量和离子通量
    4.6 本章小结
5 电子束与直流源联合驱动氩气放电特性的模拟
    5.1 引言
    5.2 模型与参数
    5.3 电子束从阴极驱动氩气放电
    5.4 电子束从接地极驱动氩气放电
    5.5 从阴极/接地极驱动放电的对比
    5.6 本章小结
6 全文总结与工作展望
    6.1 本文工作总结
    6.2 下一步工作展望
致谢
参考文献
附录1 攻读硕士学位期间发表的主要论文

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 刘保杰;李金海;朱志斌;;X射线转换靶的设计与验证[J];中国原子能科学研究院年报;2016年00期

2 R Muller-Runked ,郑恭俭;脊柱轴的电子束照射:脊突对剂量的衰减的测量[J];中国放射肿瘤学;1988年01期

3 郑恭俭,孙红;ZJ-10(4)型加速器电子束用于全身皮肤治疗轫致辐射污染的探讨[J];中国放射肿瘤学;1988年04期

4 曾戎,丁培璠;微机控制的电子束能量密度分布测量装置的研究[J];焊接学报;1988年04期

5 林峰;;电子束粉末床熔融技术研究进展与前瞻[J];新经济导刊;2019年01期

6 金山;龚堃;冯奇;李静;;电子束能量及其在气体中能量沉积二维分布的数据处理[J];中国原子能科学研究院年报;1989年00期

7 张文陆;王言;王晓鹏;杨旭;崔慧霞;;应用典型病例在电子束放疗教学中应用的体会[J];中国继续医学教育;2019年16期

8 卢文娟;张玉林;孔祥东;;电子束能量、剂量对固化厚度影响的研究[J];微细加工技术;2005年04期

9 张达明;一种测量辐射加工用加速器电子束能量的方法[J];核技术;2000年09期

10 马维义,王孝君,马景龙,胡凤明,单玉生;Marx电压建立时间的抖动对电子束能量的影响[J];中国原子能科学研究院年报;1998年00期

相关博士学位论文 前1条

1 李松;激光尾波场加速产生高品质电子束的实验研究[D];上海交通大学;2016年

相关硕士学位论文 前7条

1 黄家龙;电子束驱动低温等离子体源的动理学模拟研究[D];华中科技大学;2019年

2 刘学;脉冲电子束模拟X射线热—力学效应的优化研究[D];国防科学技术大学;2016年

3 王琦富;自由电子激励金属中的表面等离子体激元的研究[D];电子科技大学;2017年

4 张章;基于pseudospark放电产生电子束的Y波段扩展互作用振荡器研究[D];电子科技大学;2017年

5 张学粮;电子束能量在线测量装置的研究[D];清华大学;2008年

6 李光芝;强流脉冲电子束表面合金化的数值模拟[D];大连理工大学;2015年

7 严剑锋;超短超强激光驱动等离子体产生高品质阿秒电子束的研究[D];国防科学技术大学;2015年

本文编号：2885118