磁场对容性及感应耦合等离子体性质影响的数值模拟研究-光学专业论文.docx

万方数据 万方数据 A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science Numerical simulation study of the influence of magnetic field on the capacitive coupled plasma and Inductive coupled plasma Candidate : Qiao Xinhui Major : Optics Supervisor : Prof. Yi Lin Huazhong University of Science Technology Wuhan 430074, P. R. China December, 2013 独创性声明 本人声 明所呈 交的学 位论 文是我 个人 在导师 指导下 进行 的研究 工 作及取 得的研究 成果 。尽我 所知， 除文中 已经标 明引 用的内 容外， 本论 文不包含任 何其他个 人或 集体已 经发表 或撰写 过的研 究成 果。对 本文的 研究 做出贡献的 个人和集 体， 均已在 文中以 明确方 式标明 。本 人完全 意识到 本声 明的法律结 果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密□， 在 年解密后适用本授权书。 不保密□。 （请在以上方框内打“√”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 摘要 半 导 体 工 业 领 域 中 ， CCP， 即 容 性 耦 合 等 离 子 体 （ Capacitively Coupled Plasmas）和 ICP，即感应耦合等离子体（Inductively Coupled Plasmas）被广泛应 用于材料刻蚀、薄膜沉积和表面改性等工艺中。特别是基于上述两种等离子体的 等离子体增强化学气相沉积技术（PECVD）具有温度低、沉积速率快、成膜质量 好不易龟裂等优点，在半导体工业中，是一种重要的薄膜沉积技术。数值模拟是 基础研究气体放电中各种物理化学过程和优化工业设备的主要手段之一。通过数 值模拟，不仅能够深入了解其中包含的各种物理过程，而且能够得到精确的定量 结果，从而使工业设备开发的周期和成本大大降低。因此，基于数值模拟的 ICP 和 CCP 研究成为相关研究的热点之一，有大量的相关工作发表。 氧气放电的 CCP 或 ICP 常用于沉积氧化物薄膜和等离子体清洗和去灰工艺 中，在工业界中有广泛的应用，因此得到了广泛的关注和研究。另一方面，在 ICP 和 CCP 放电中，放电电流比较小，所以往往自身的磁场可以被忽略，只需考虑作 用比较大的电场，故而很小的外磁场便可以使得电子磁化，从而改变等离子体性 质。一方面人们针对氧气放电的 CCP 和 ICP 都有广泛的研究，但是已经发表的都 侧重于没有磁场的情形；另一方面，外加磁场对于等离子体放电的影响也有了较 为深入的认识，但是目前大多研究的是电正性的氩气放电。对于外加磁场对于氧 气放电的影响，并没有相关的工作发表，尤其是外加磁场对等离子体重要参数如 粒子密度、电子温度等的影响。 低 温 等 离 子 体 中 常 用 的 数 值 模 拟 方 法 有 流 体 模 型 和 PIC/MC(Particle-in-cell/Monte Carlo)模型两种。流体模型优势很多，如它的计算 量较小，程序很稳定，而且比较易于耦合化学反应模块。目前流体模型已经有了 2D 或 3D、全电磁的算法，被广泛应用于优化设计工业设备中。利用流体方法， 本文研究了外加磁场对等离子体主要参数密度、电子温度、电子能量分布函数及 离子能量分布函数的影响，从而揭示了磁场增强的 ICP 和 CCP 放电对于氧气放电 的影响以期为氧化物薄膜制备、等离子体清洗和去灰等相关工艺提供参考。 第一章简单介绍了等离子体概念以及其应用背景和常见的几种等离子体源，以 及氧化物薄膜沉积的研究进展。 I 第二章详细介绍了模拟使用到的流体力学/电子蒙特卡洛混合模型以及模型中 用到的主要算法。 第三章以圆柱形容性耦合等离子体为模型，主要模拟了加入了非均匀外磁场后 氧气放电的变化。通过对比未加入磁场时氧气放电的模拟结果和相同条件下电正 性氩气放电的模拟的结果