Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
Актуальность темы 4
Цель диссертационной работы 5
Научная новизна работы 6
Основные положения, выносимые на защиту 6
Практическая значимость работы 7
Апробация работы 8
Структура и объем диссертации 8
ГЛАВА 1
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 9
Ионно-плазменные технологии в микроэлектронике 9
Источники плазмы для современных технологий микроэлектроники 10
ВЧ индукционный разряд 10
Геликонный разряд 15
ЭЦР-разряд 20
Neutral Loop Discharge 24
Пучково-плазменныйразряд 26
1.3 Моделирование плазмы газовых разрядов низкого давления 27
Гидродинамическое приближение 27
Кинетическая модель 31
Гибридные модели 35 ГЛАВА 2
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КОД KARAT 38
Введение 38
Моделирование плазмы методом крупных частиц 38
Основные уравнения 39
Интегрирование уравнений Максвелла 40
Граничные условия 42
Уравнение Пуассона 43
Интегрирование уравнений движения 44
Взвешивание сил и частиц 46
Ограничение на размер ячейки и число частиц в дебаееской сфере 46
Инжекция и поглощение частиц на границах 47
Учет столкновений по методу Монте-Карло 47
Линейная плазма и диэлектрики 50 ГЛАВА3
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЧ ИНДУКЦИОННОГО РАЗРЯДА С 51
НЕЙТРАЛЬНЫМ КОНТУРОМ (NLD) 51
3.1 ВЧ индукционный разряд с нейтральным контуром 54
3.2 Определение структуры разряда и факторов, ее определяющих 54
Введение 55
Исходная модель и вычислительный алгоритм 57
Основные результаты и их обсуждение 61
Заключение
3.3 Бесстолкновителъные механизмы нагрева электронов в 1NLD 64
Введение 64
Бесстопкновительный нагрев в области нейтрального контура 65
Модель 70
Основные результаты и их обсуждение 72
Заключение 75
Новые разрядные системы на основе NLD 7S
Выводы 80 ГЛАВА 4
МОДЕЛИРОВАНИЕ МИКРОВОЛНОВОГО ИСТОЧНИКА ПЛАЗМЫ 82 ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
Микроволновый источник плазмы на электронно-циклотронном 82 резонансе
Модель источника 83
Параметры источника 84
Результаты моделирования и их обсуждение 86
Выводы 89 ГЛАВА 5
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПУЧКОВО-ПЛАЗМЕННОГО РАЗРЯДА (ППР) 90
Введение 90
ППР в скрещенных электрическом и магнитном полях 90
Модель разрядной системы 93
Численное моделирование 96
Оценка энергетической эффективности распылительной системы на 100 основе ППР
Выводы 103 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 104 БЛАГОДАРНОСТИ 106 СПИСОК ИЛЛЮСТРАЦИЙ 107 СПИСОК ТАБЛИЦ 111 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 112
Введение к работе
Актуальность темы.
Одной из наиболее актуальных задач современной микроэлектронной промышленности является создание технологий, обеспечивающих производство микроэлектронных компонентов с характерными размерами микроструктур 0.065 мкм на подложках диаметром 300 —400 мм. Решение этой задачи связано, в том числе, и с разработкой источников плазмы для технологий плазменного травления, так как переход полупроводниковой индустрии на новый технологический процесс требует, как правило, замены источников плазмы, используемых при травлении кремниевых пластин. Как известно, с увеличением диаметра пластин растет производительность технологического процесса. С другой стороны, повышение качества получаемых покрытий и точности обработки требует снижения давления в рабочей камере, высокой пространственной однородности активной плазменной среды у поверхности пластины и обеспечения определенных энергетических характеристик частиц, образующих плазму. Эти требования могут быть выполнены только за счет создания адекватных им источников низкотемпературной плазмы низкого давления (порядка 10~* - 10" Торр) и достаточно большой плотности (порядка 1010 - 1012 см"3). Разработка таких источников плазмы связана с решением задачи всестороннего исследования механизмов, ответственных за образование плотной плазмы в разрядах при низком давлении рабочего газа. Ранее подобные исследования были выполнены для ВЧ емкостного и ВЧ индукционного разрядов. В этих исследованиях с успехом применялись современные методы математического моделирования в тесной связи с теорией и экспериментом. В частности, с помощью методов численного моделирования получены функции распределения электронов по энергиям и их зависимость от параметров разряда, обнаружен стохастический нагрев электронов в ВЧ емкостном разряде и прояснены бесстолкновительные механизмы нагрева в ВЧ индукционном разряде.
В настоящее время в качестве наиболее перспективных рассматриваются источники плазмы на ВЧ индукционном разряде, усиленном магнитным полем, на электронном циклотронном резонансе и на пучково-плазменном разряде.
Источники плазмы на основе ВЧ индукционного разряда в магнитном поле характеризуются высокой плотностью плазмы (вплоть до 1013 см"3) и высокой степенью ее однородности при рабочих давлениях -10~3Торр. Кроме того, существует разновидность ВЧ индукционного разряда, которая позволяет понизить рабочее давление на порядок при сохранении параметров плазмы - это так называемый Neutral Loop Discharge, или ВЧ индукционный разряд с нейтральным (бессиловым) контуром. Физика этого разряда является достаточно сложной. Из-за сильной неоднородности магнитного поля экспериментальное и теоретическое исследование представляется затруднительным. Вследствие этого задача математического моделирования такого источника плазмы является весьма актуальной.
В целом, моделирование плазменных процессов в современных технологических установках, основанное на надежной физико-химической модели, позволяет дать рекомендации по оптимизации существующего технологического оборудования или обеспечить развитие новых плазменных технологий. Эти обстоятельства стимулировали постановку и проведение исследований, являющихся предметом настоящей работы.
Цель диссертационной работы.
Целью настоящей работы является всестороннее численное и теоретическое исследование механизмов образования плазмы высокой плотности в разрядах низкого давления, ориентированное на создание высокоэффективных плазменных источников малой мощности, перспективных для современных технологий микро- и наноэлектроники. Важной составляющей работы является реализация кинетического двумерного самосогласованного моделирования для численного исследования бесстолкновительных механизмов нагрева плазмы в таких источниках.
Основные задачи диссертационной работы:
Разработка моделей для самосогласованного кинетического моделирования разрядов низкого давления с помощью метода крупных частиц на основе электромагнитного кода KARAT.
Моделирование ВЧ индукционного разряда с нейтральным контуром. Определение пространственной структуры и параметров разряда в области
нейтрального контура. Сопоставление результатов с имеющимися экспериментальными данными.
Аналитические исследования механизмов, ответственных за нагрев электронов в ВЧ индукционном разряде с нейтральным контуром в условиях бесстолкновительного приближения. Определение доминирующих механизмов нагрева при различных условиях (величина и конфигурация магнитного поля, частота внешнего ВЧ поля, мощность ВЧ источника).
Моделирование микроволнового источника столкновительной плазмы на электронном циклотронном резонансе. Определение зависимости поглощаемой в источнике мощности микроволнового излучения от внешнего магнитного поля при заданных параметрах плазмы (плотности и температуры).
Моделирование источника плазмы на основе пучково-плазменного разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях.
Научная новизна работы.
Разработаны модели для двумерного самосогласованного кинетического моделирования нестационарных пучково-плазменных систем и высокочастотного индукционного разряда, усиленного магнитным полем.
Впервые выполнено двумерное самосогласованное моделирование ВЧ индукционного разряда с нейтральным контуром. Определена структура разряда и факторы ее определяющие. Впервые показано, что для ВЧ индукционного разряда с нейтральным контуром существует режим, в котором проявляется новый механизм нагрева электронов, дополнительный к стохастическому -локальный электронный циклотронный резонанс.
Предложена модель для расчета эффективности поглощения микроволнового излучения плазмой и ее зависимости от напряженности внешнего магнитного поля (в столкновительной режиме).
Выполнено двумерное самосогласованное моделирование пучково-плазменного разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях и дана оценка эффективности распылительной системы на его основе.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Высокочастотный индукционный разряд с нейтральным контуром имеет сильно неоднородное пространственное распределение плотности плазмы в области
нейтрального контура. Неоднородность плотности плазмы, как в радиальном, так и в продольном направлениях определяется наличием областей, в которых магнитное поле имеет «ловушечную» конфигурацию.
2, В высокочастотном индукционном разряде с нейтральным контуром в
бесстолкновительном режиме эффективность плазмообразования определяется
стохастическим механизмом нагрева электронов в области нейтрального контура
и локальным электронно-циклотронным резонансом, который может быть
доминирующим в условиях, когда кулоновскими столкновениями можно
пренебречь.
3. Резонансная частота поглощения мощности микроволнового излучения в
источнике столкновительной плазмы на электронном циклотронном резонансе не
зависит от плотности плазмы и определяется только частотой столкновений.
Наиболее эффективное поглощение подводимой мощности излучения имеет
место при магнитных полях, превышающих резонансное значение.
Практическая значимость работы.
В настоящей работе выполнено численное моделирование разрядов, являющихся наиболее перспективными для использования в качестве источников плазмы в технологических установках для обработки кремниевых пластин большого диаметра с высокой степенью однородности. Развиваемые методы исследования и непосредственно результаты моделирования могут быть использованы, например:
для разработки новых и оптимизации уже существующих плазменных систем на основе ВЧ индукционного разряда с нейтральным контуром;
для оптимизации микроволновых источников столкновительной плазмы на электронном циклотронном резонансе;
для расчета и проектирования вакуумных плазменных установок сложной геометрии с электронными пучками.
По результатам выполненного исследования предложена новая схема источника плазмы на основе ВЧ индукционного разряда с нейтральным контуром, характеризующаяся наличием нескольких нейтральных контуров. Такая схема предполагает значительное увеличение диаметра разрядной камеры при сохранении степени однородности плазмы по плотности.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
XLII - ХЬУП научные конференции Московского физико-технического института "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук". Долгопрудный — 1999 - 2004 гг. (9 докладов).
Всероссийская научная конференция по физике низкотемпературной плазмы ФНТТТ-2001. Петрозаводск, 1 -7июля, 2001.
Inrernational Conference on Physics of Low Temperature Plasma 03. Kyiv, Ukraine, May 11-15,2003.
XXXI Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС. Звенигород, 16 -20 февраля, 2004.
Всероссийская научная конференция по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2004. Петрозаводск, 28 - 30 июня, 2004.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения. Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи, научная новизна, практическая ценность и положения, выносимые на защиту. Первая глава диссертации носит обзорный характер. В нее включен обзор по источникам низкотемпературной плазмы, наиболее перспективным для современных плазменных технологий, связанных с производством микро- и наноэлектроникн, а также обзор методов численного моделирования таких источников. Во второй главе представлен релятивистский электромагнитный код KARAT, на котором базируется численное моделирование, проведенное в настоящей работе. Третья глава диссертации состоит из четырех частей и посвящена моделированию ВЧ индукционного разряда с нейтральным контуром. Четвертая глава посвящена моделированию микроволнового источника плазмы высокого давления на электронно-циклотронном резонансе. В пятой главе представлена модель и результаты численного моделирования ионно-плазменной технологической установки на основе пучково-плазменного разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях. В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы. В конце работы помещены списки рисунков и таблиц, приведенных в диссертации, а также список цитируемой литературы.
