N-,2--O-,2-雙頻容性耦合等離子體的流體力學(xué)模擬.pdf

1、雙頻容性耦合等離子體(dual—frequency capacitively coupled plasma DF—CCP)源可產(chǎn)生大面積均勻等離子體，并且具有優(yōu)良的控制性能、低成本等優(yōu)點(diǎn)，是半導(dǎo)體工業(yè)中最重要的刻蝕和薄膜沉積設(shè)備；等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)技術(shù)具有低溫成膜、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，是半導(dǎo)體工業(yè)中重要的薄膜沉積技術(shù)；氧氣(O2)和氮?dú)?N2)來(lái)自空氣，成本低廉，是PECVD技術(shù)中最為常用的兩種氣體。此外，DF—CCPEC

2、VD中的各宏觀物理量，特別是等離子體密度、速度、電子溫度、功率沉積密度、電勢(shì)等，以及放電過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)對(duì)PECVD技術(shù)影響有著直接而甚大的影響，掌握這種影響后可用來(lái)提高實(shí)際PECVD工藝的性能。而傳統(tǒng)的整體模型簡(jiǎn)化較多，不能準(zhǔn)確把握各外部參數(shù)對(duì)等離子體宏觀物理量的影響。為此，本文采用自洽的流體力學(xué)模型，在PECVD參數(shù)下，對(duì)N2-5％O2雙頻容性耦合放電過(guò)程進(jìn)行研究，為下一步全面數(shù)值模擬N2-O2-SiH4混合氣體雙頻容性耦合放電做了

3、前期工作，當(dāng)然該工作的作用并不僅限于此。 第一章簡(jiǎn)短介紹了等離子體和薄膜沉積的概念，以及氧氣和氮?dú)夥烹姷难芯窟M(jìn)展。 第二章詳細(xì)介紹了模擬容性耦合放電的流體力學(xué)模型，并對(duì)模型中各參數(shù)的選取和確定進(jìn)行了全面概括，最后簡(jiǎn)單介紹了模擬中用到的主要算法。 第三章以N2-5％O2放電的一維流體力學(xué)模擬為依托，著重討論了氣體壓強(qiáng)、高低頻電壓、高低頻頻率、極板間距對(duì)DF—CCP宏觀物理量的影響。模擬的結(jié)果表明：等離子體密度主要受

4、高頻電源控制，提高高頻電源的頻率、電壓幅值與增加氣體壓強(qiáng)均能有效地提高等離子體的密度，而且三者的影響強(qiáng)度順序?yàn)椋焊哳l頻率>高頻電壓幅值>壓強(qiáng)。低頻電源對(duì)等離子體密度的影響相對(duì)而言不大，但是等離子體密度和低頻頻率和低頻電壓都成反向關(guān)系，不過(guò)當(dāng)?shù)皖l電壓高于200V時(shí)，這種反向關(guān)系特別弱。下極板處的離子速度和高低頻電壓都成正向關(guān)系，不同離子的速度和它們的動(dòng)量轉(zhuǎn)移截面成反比。在等離子體區(qū)，正離子密度總和與負(fù)離子與電子的密度總和幾乎相同，電場(chǎng)與電

5、子溫度分布較為平坦；在鞘層區(qū)，負(fù)離子密度基本為零，電子密度相對(duì)于正離子密度也很小，這樣正負(fù)電荷的密度出現(xiàn)差異，導(dǎo)致鞘層區(qū)中的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，于此同時(shí)電子受到鞘層電場(chǎng)的加速使得電子溫度在鞘層區(qū)比在等離子區(qū)要高得多，甚至相差幾倍。電負(fù)性和壓強(qiáng)、高頻頻率、高頻電壓成反向關(guān)系，更確切的說(shuō)，它和沉積功率密度和電子密度成反向關(guān)系。值得注意的是，電負(fù)性和功率沉積密度兩者在軸向分布上形狀相似。另外N2+和O2共振電子轉(zhuǎn)移強(qiáng)度受壓強(qiáng)影響最大，二者成反向