资源描述
,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,低气压射频容性和感性耦合等离子体源的流体力学模型,1,报告提纲,（一）低气压射频等离子体源介绍,（二）容性和感性耦合放电的流体模型,（三）中性流场,/,中性粒子的流体模型,（四）化学反应数据库,（五）边界条件和器壁表面过程,（六）输运系数及理论,（七）流体模拟的数值技巧,（八）流体模型的局限与扩展,2,（一）低气压射频等离子体源介绍,低气压射频范畴,等离子体源特征属性,常见低气压射频等离子体源、装置及分类,容性和感性耦合放电机理描述,应用背景,具体工艺,3,关键词,低气压射频等离子体源范畴,气压,1 mTorr,1 Torr,射频,300 KHz,300 GHz,微波,300 MHz,300 GHz,4,（一）低气压射频等离子体源介绍,低气压射频等离子体特征描述,涉及过程和物理量,特征描述,放电类型,辉光放电,激发方式,波加热、射频容性感性耦合、共振技术,热平衡,非热平衡等离子体（ ）,电离,弱电离度（千分之一）,离解,高离解率（几分之一）,等离子体密度,电子温度,等离子体电势,碰撞过程,弹性散射、电离、激发（电子,/,振动,/,转动）、吸附、离解、复合、电荷交换,等离子体成分,电子、正负离子、基态,/,激发态分子、光子,发射光谱波段,可见光、红外、紫外,5,常见低气压射频等离子体源,电子回旋共振放电（,Electron cyclotron resonance,（,ECR,）,discharge,）,螺旋波放电（,Helicon,）,螺旋共振放电（,Helical resonance discharge,）,表面波放电（,Surface wave discharge,）,射频容性耦合等离子体（,Capacitively coupled plasma-CCP,）,射频感性耦合等离子体（,Inductively coupled plasma-ICP,）,6,LP-RF,等离子体源分类,波加热等离子体源（,Wave-heated sources,）,ECR,Helicon,表面波放电,高密度等离子体源（,High density sources,）,ECR,Helicon,ICP,7,LP-RF,等离子体源分类（续）,8,CCP,源,传统意义下的低密度等离子体源：单频激发（,Single Frequency-CCP,）,独立控制理论,高频决定等离子体密度,低频决定离子轰击能量,双频,CCP,源,提高等离子体密度,降低晶元介质损伤,等离子体密度正比于频率平方,VHF-CCP,源,驻波效应,径向不均匀性,高密度源？,等离子体密度量级赶上,ICP,源,ECR,放电特性和装置结构,9,Helicon,放电特性和装置结构,10,HR,放电装置结构,11,HR,放电特性,12,1.1 CCP,源介绍,13,单频,CCP,源放电装置简易图,14,单频,CCP,源放电结构示意图,15,双频,CCP,源电源施加方式,16,独立控制思想,高频（,HF,）：等离子体密度,低频（,LF,）：离子轰击能量,增加刻蚀率,降低晶片损伤,VHF-CCP,源的驻波效应,17,在甚高频等离子体内，当电磁波波长的四分之一与放电腔室的尺寸相当时，会在反应腔室内激发一个沿径向传播的电磁波，即驻波。驻波效应会显著影响等离子体密度的径向均匀性，进而对大面积薄膜的沉积过程和芯片的刻蚀过程产生影响,。,VHF-CCP,源的驻波效应（续）,18,实验 诊断体等离子体密度,VHF-CCP,源的驻波效应（续）,19,实验 诊断体离子通量密度,VHF-CCP,源的驻波效应（续）,20,流体模拟电离率二维剖面图,1.2 ICP,源介绍,21,两种,ICP,放电装置示意图,22,模式跳变和回滞现象,23,线圈电压激发容性,/E,放电模式,线圈电流激发感性,/H,放电模式,模式跳变,回滞,E,和,H,模式放电特征,24,E,模式,H,模式,功率,低,高,鞘层,较宽,很薄,光强,较弱,很强,等离子体势,高,低,温度,高,低,密度量级,10,9,cm,-3,10,11,-10,12,cm,-3,线圈电流,/,电压,小,大,功率反射系数,高,低,匹配状态,较差,较好,电负性气体的不稳定现象,25,带电粒子做低频振荡,不稳定窗口,整体模型,Ar/SF,6,电负性气体的不稳定现象（续）,26,实验测量,整体模拟,负功率吸收,27,反常趋肤效应,28,电流的反常趋服效应（实验测量）,射频电场幅值的反常趋服（动力学模型）,ICP,源的脉冲技术,29,ICP,源的脉冲技术,30,双频,ICP,源,31,提高等离子体密度,降低驻波效应,增加离子通量密度均匀性,大面积高密度等离子体源,主要应用领域,半导体集成电路技术（,Semi-conductor integrated circuit technology,）,微电子领域（,Microelectronics technology,）,太阳能电池（,Solar cell/panel,）,材料表面改性（,Surface modification of material,）,功能薄膜材料（,Functional thin film,）,氮化物光电子器件（,Nitride photoelectric devices,）,发光二极管（,Light-emitting diode-LED,）,32,具体工艺技术,等离子体增强刻蚀：干刻（,Plasma enhanced etching,：,dry etching,）,等离子体增强化学气象沉积（,Plasma enhanced chemical vapor deposition-PECVD,）,射频,/,直流磁控溅射（,rf/dc Magnetron sputtering,）,等离子体浸入离子注入（,Plasma Immersion Ion Implantation,）,33,具体工艺技术（续）,34,干刻,PECVD,离子注入,磁控溅射,（二）容性和感性耦合放电的流体模型,容性耦合放电的流体模型,感性耦合放电的流体模型,等离子体流体方程的推导,35,流体力学名称,Fluid mechanics,Fluid statics,Fluid dynamics,36,2.1,容性耦合放电的流体模型,基本方程（电子和正负离子）,漂移扩散近似,有效场近似,驻波效应,37,容性耦合放电的流体模型（续）,38,电子方程,离子方程（非守恒）,离子方程（守恒）,泊松方程,静电模型下的基本方程,驻波效应,39,静电问题转化为电磁问题,引入静电势和磁矢势,2.2,感性耦合放电的流体模型,基本方程（电子和正负离子）,静电场和射频电磁场,纯,H,放电流体模型,模式跳变流体模型,准中性近似,漂移扩散近似,40,感性耦合放电的流体模型（续）,41,电子方程,能量沉积过程,E,和,H,模式共存,感性耦合放电的流体模型（续）,42,全动量离子方程（守恒）,泊松方程（静电场）,ICP,源的射频电磁场模型,43,真实的实验装置示意图,抽象出来的放电模拟装置示意图,ICP,源的射频电磁场模型（续）,44,基本麦氏电磁方程组,线圈电流和等离子体极化电流,三个区域内的矢量型亥姆霍兹方程,边值关系和数学变化,E,和,H,模式共存的放电,谐波一阶近似,ICP,源的射频电磁场模型（续）,时域有限差分求解麦氏方程,45,2.3,等离子体流体方程的推导,波尔兹曼方程,微扰近似解析理论,矩方程理论,质量、动量和能量方程的推导,46,波尔兹曼方程之解析理论,47,各向同性项,外界扰动项,碰撞项,采用两项近似微扰理论,电子的动力学效应,非局域性,无碰撞加热,波与粒子作用,朗道阻尼,反常加热,波尔兹曼方程之矩方程理论,48,质量、动量和能量方程的推导,49,（三）中性流场,/,中性粒子的流体模型,简单的扩散输运方程,Maxwell-Stefan,方程,多成分质量输运,Navior-Stocks,方程,质量分数,单粒子方程,方程的多样化,50,关键词,3.1,简单的扩散输运方程,51,中性粒子的扩散输运,碰撞源项,与其他粒子（电子、离子和中性粒子）的耦合机制,忽略对流和粘滞等的影响,3.2 Comsol,内中性粒子的方程设置,52,3.2 Comsol,内中性粒子的方程设置,53,3.2 Comsol,内中性粒子的方程设置,54,离子和中性粒子,忽略背景气体的输运,对流速度由层流模型给出,质量平均速度,对流项,扩散项,质量分数,二元扩散系数近似,热扩散和静电力,Maxwell-Stefan,方程,多物理场耦合软件,3.2 Comsol,内中性粒子的方程设置,55,决定等离子体流场的分布,这里的密度包含放电中的所有粒子,电子、离子、激发态分子和背景气体,电子往往被忽略,由于其较轻的质量,较快的迁移和扩散速度,Navior-Stocks,方程,质量平均对流速度,粒子总的速度,摩尔平均分子质量,3.2 Comsol,内中性粒子的方程设置,56,电子方程,静电泊松方程,磁矢势电磁场方程,ICP,模块的其他方程设置,3.3 Pegasus,内中性粒子的方程设置,软件简单介绍,57,3.3 Pegasus,内中性粒子的方程设置,58,3.3 Pegasus,内中性粒子的方程设置,59,注意与,Comsol,里方程设置的区别,放电中所有中性粒子的,N-S,输运方程,近似体现在对流速度和温度,3.4 HPEM,内中性粒子的方程设置,代码简介,60,Hybrid Plasma Equipment Model,3.4 HPEM,内中性粒子的方程设置,61,3.4 HPEM,内中性粒子的方程设置,62,逐个求解每个中性粒子,N-S,方程,每个中性粒子有其自己的密度、速度和温度,3.5,中性粒子方程的多样化,Maxwell-Stefan,（,M-S,）方程,纯,Navior-Stocks,（,N-S,）方程,M-S,和,N-S,方程耦合,能量方程源项的多样化,有无考虑粘滞项的影响,63,能量方程源项的多样化,64,能量方程源项的多样化（续）,65,能量方程源项的多样化（续）,66,能量方程源项的多样化（续）,67,（四）化学反应数据库的搭建,电子参与反应,重粒子之间反应,速率系数与碰撞截面,三体碰撞,Arrhenius,方程,Lxcat website,Quantemol,68,关键词,4.1,电子参与反应,69,4.1,电子参与反应（续）,70,碰撞截面,速率系数,4.1,电子参与反应（续）,电子能量分布函数,71,概念解析,电子能量分布函数,Electron energy distribution function,EEDF(eV,-1,),电子能量几率函数,Electron energy probability function,EEPF(eV,-3/2,),Maxwell,的,EEDF,2.,取自然对数,1.,化成,EEPF,斜率倒数的负数即平衡态的电子温度！,4.1,电子参与反应（续）,电子能量分布函数类型,72,电子动力学能量,电子能量几率函数,电子动力学能量,电子能量几率函数,电子动力学能量,电子能量几率函数,麦克斯韦分布,双麦克斯韦分布,Druyvesteyn,分布,Thermal equilibrium,高能和低能电子群,高能和低能电子群,低气压下双极势垒束缚低能电子,高气压,非弹性碰撞,高能尾衰减,4.1,电子参与反应（续）,实际测量或计算的电子能量分布函数演示,73,测量值,计算值,4.1,电子参与反应（续）,74,4.2,重粒子之间反应,75,4.3 lxcat website,76,从,contributor,里可以找到不同化学反应数据的获取方法，包括实验和理论,4.4 Quantemol,77,（五）边界条件和表面过程,78,边界条件关键词,电子方程,离子方程,中性粒子方程,静电场,电磁场,79,表面过程关键词,二次电子发射,粒子反射,离子中和,中性基团吸附和复合,钝化薄膜沉积,硅材料刻蚀,Site balance equation,Langmuir surface kinetics,80,5.1,电子方程的边界条件,81,（,1,）,ICP,内电子质量和动量方程,5.1,电子方程的边界条件（续）,82,（,2,）,ICP,内电子能量方程,5.1,电子方程的边界条件（续）,83,（,3,）,CCP,内电子方程,CCP,电子方程与,ICP,的差异：射频电磁功率沉积,方程边界条件基本类似,特殊的出口和入口边界的处理,在电子方程里与壁一致，否则程序不稳定,在中性方程里有其特殊含义,5.2,离子方程的边界条件,84,5.3,中性粒子方程的边界条件,85,1.,以简单的纯扩散方程为例,墙壁复合和吸附,取代复杂的,site balance,扩散和器壁吸收损失率,解析表达式,5.3,中性粒子方程的边界条件（续）,86,2.,以单个粒子,Navior-Stocks,方程为例,5.3,中性粒子方程的边界条件（续）,87,2.,以单个粒子,Navior-Stocks,方程为例,5.3,中性粒子方程的边界条件（续）,88,2.,以单个粒子,Navior-Stocks,方程为例,边界位置,涉及物理量,边界类型,数学表示,放电轴心,动量和能量,对称,腔室外围,动量,流守恒,腔室器壁,能量,跳跃,出口,能量,自由对流,入口,能量,固定室温,5.4,静电场方程的边界条件,89,泊松方程,物理量,边界类型,数学表示,电势,接地,电源,绝缘介质,出口,/,入口,线性插值,轴心,5.5,电磁场方程的边界条件,90,电磁场方程和模拟装置示意图,选取的边界条件和边值关系,适用于谐波近似和全时域内求解,5.6,二次电子发射,91,5.6,二次电子发射,92,5.6,二次电子发射,93,5.7 Site balance equation,94,5.7 Site balance equation,95,5.8 Langmuir surface kinetics,96,5.8 Langmuir surface kinetics,97,5.8 Langmuir surface kinetics,98,表面原子复合过程,5.9,基片上硅材料的刻蚀过程,99,5.10,基片上硅材料的刻蚀过程,100,5.9,基片上硅材料的刻蚀过程（续）,101,5.9,基片上硅材料的刻蚀过程（续）,102,5.9,基片上硅材料的刻蚀过程（续）,103,5.9,基片上硅材料的刻蚀过程（续）,104,5.10,钝化薄膜在器壁的沉积过程,105,5.10,钝化薄膜在器壁的沉积过程,106,（六）输运系数及理论,扩散,热传导,粘滞,迁移,爱因斯坦关系,107,关键词,6.1,简易气体输运理论,108,6.1,简易气体输运理论（续）,109,热传导系数,6.1,简易气体输运理论（续）,110,粘滞系数,6.1,简易气体输运理论（续）,111,扩散系数,6.1,简易气体输运理论（续）,112,简易输运理论的特点,钢球模型假设,未考虑分子按速率的分布,所有的分子都是以相同平均速度运动,具有相同的平均自由程,一次碰撞就被完全通化,1,）考虑了粗略的分子运动论,2,）没有引进分子动力学理论,3,）没有分子间细致的相互作用,4,）没有统计规律,6.2,气体动力学理论,113,Lennard-Jones potential,Boltzman equation,6.2,气体动力学理论（续）,114,扩散系数,6.2,气体动力学理论（续）,115,Lennard-Jones potential,6.2,气体动力学理论（续）,116,Lennard-Jones potential,下图是对,L-J,势的图形化描述，其中也展示了相关参数的意义,6.2,气体动力学理论（续）,117,Lennard-Jones,势中的参数,6.2,气体动力学理论（续）,118,以上是对非极性分子的扩散系数计算公式，下面是对极性分子扩散系数公式的修正,6.2,气体动力学理论（续）,119,粘滞系数和热扩散系数,6.3,迁移率,电子迁移率,离子迁移率,爱因斯坦关系,120,（七）流体模拟的数值技术,ICP,流体方程的数值求解,电子通量方程的几种常用离散格式,电磁场方程求解,泊松方程求解,计算流体动力学理论,代数方程组的求解,121,关键词,7.1 ICP,电子方程的数值求解,122,7.1 ICP,电子方程的数值求解（续）,123,7.1 ICP,电子方程的数值求解（续）,124,7.1 ICP,电子方程的数值求解（续）,125,7.1 ICP,电子方程的数值求解（续）,126,7.1 ICP,电子方程的数值求解（续）,127,7.2 ICP,离子方程的数值求解,128,通量矫正法（,Flux corrected transport,）,7.2 ICP,离子方程的数值求解（续）,129,7.2 ICP,离子方程的数值求解（续）,130,7.3,电子通量方程的离散格式,131,中心差分格式,迎风格式,Scharfetter-Gummel,格式,平均速度格式,7.3,电子通量方程的离散格式（续）,132,7.3,电子通量方程的离散格式（续）,133,7.3,电子通量方程的离散格式（续）,134,7.3,电子通量方程的离散格式（续）,135,7.3,电子通量方程的离散格式（续）,136,7.3,电子通量方程的离散格式（续）,137,7.3,电子通量方程的离散格式（续）,138,7.3,电子通量方程的离散格式（续）,139,7.3,电子通量方程的离散格式（续）,140,7.3,电子通量方程的离散格式（续）,141,7.3,电子通量方程的离散格式（续）,142,7.4,泊松方程的求解,143,针对,ICP,7.4,泊松方程的求解（续）,144,7.5,电磁场方程的求解,时域有限差分求解麦氏方程,145,7.5,电磁场方程的求解（续）,146,基本麦氏电磁方程组,三个区域内的矢量型亥姆霍兹方程,局域密度近似,空间平均等离子体,解析求解,傅里叶,-,贝塞尔函数展开,有限差分离散,松弛迭代技术,7.6,计算流体动力学理论,流体分类（理想、牛顿、层流、湍流、可压缩性）,数值耗散和频散,人工粘性和假扩散,欧拉坐标和拉格朗日描述,方程的守恒和非守恒形式,物质导数,方程的来源（唯相、波尔兹曼方程）,常见隐式和显式差分格式,特征常数（普朗特、雷诺、努森等）和无量纲化机制,方程的数学特性,计算精度、稳定性能和收敛曲线,147,7.7,代数方程组的求解技术,直接求解,迭代求解,其他高级技术,148,三对角矩阵（追赶法）,五对角矩阵（追赶法）,循环约化法,全选主元高斯,-,约当消去法,牛顿上（下）山,高斯,-,赛德尔迭代,超松弛迭代,欠松弛迭代,雅可比迭代,蒙特卡洛方法,代数多重网格法,共轭梯度法,针对规则线性代数方程组,非线性方程组,稠密,主要针对,主要针对,（八）流体模型的局限与扩展,一般意义的流体力学理论,等离子体领域内的流体模型,等离子体流体模拟功能的局限性,等离子体流体模型的扩展性,149,8.1,一般意义的流体力学模型,空气流体动力学理论（风洞）,地球流体动力学,计算流体动力学（,CFD,）理论,Navior-Stocks,方程（质量、动量和能量）,流体与传热,商业软件（,Fluent,、,ANSYS,和,Comsol,等）,150,8.2,等离子体领域内的流体模型,波尔兹曼方程的矩方程,不同子等离子体领域内的流体模型,151,非平衡低气压射频等离子体源的流体体系（刻蚀领域）,完全电离平衡等离子体的磁流体体系（等离子体开关）,聚变高温等离子体源的湍流模型（新型清洁能源）,复杂电负性的工业性等离子体源（,C4F8,和,SF6,等）,纳米尺度尘埃颗粒的生长和输运机制（薄膜太阳能电池）,CCP,和,ICP,等离子体源的脉冲激励机制等,8.3,等离子体流体模拟功能的局限性,152,导言,一般的低气压射频等离子体流体模型仅能模拟基于欧姆定律的欧姆加热机制，但是等离子体物理远不止单一的基于弹性碰撞的欧姆加热机制，相反它具有更为丰富的动力学机制和输运特性，由此导致有趣的物理图像,。,非局域效应,无碰撞加热机制,朗道阻尼,-,共振波与粒子相互作用,反常趋服效应,负功率吸收机制,电子反弹共振加热机制,极板间距效应,电子的动力学效应,eedf,麦氏分布（直）,双麦氏分布（凹）,Druyvesteyn,分布（凸）,153,8.3,等离子体流体模拟功能的局限性,8.3,等离子体流体模拟功能的局限性,CCP,流体模型的欧姆加热项,154,射频源功率被电子吸收,高能电子通过电离等非弹性碰撞,维持等离子体,忽略离子损耗功率,8.3,等离子体流体模拟功能的局限性,ICP,流体模型的欧姆加热项,155,8.3,等离子体流体模拟功能的局限性,ICP,流体模型的欧姆加热项,156,ICP,流体模型的欧姆加热项,157,8.3,等离子体流体模拟功能的局限性,ICP,流体模型的欧姆加热项,158,8.3,等离子体流体模拟功能的局限性,159,弹碰的欧姆加热机制发生在高气压下，故高压下等离子体流体模拟与实验吻合,无碰撞加热的机制低气压下，低气压下的等离子体流体模拟往往严重失真,8.3,等离子体流体模拟功能的局限性,160,弹碰的欧姆加热机制发生在高气压下，故高压下等离子体流体模拟与实验吻合,无碰撞加热的机制低气压下，低气压下的等离子体流体模拟往往严重失真,8.3,等离子体流体模拟功能的局限性,161,8.4,等离子体流体模型的扩展性,流体模型中引入电子动力学效应,162,功率源项的修正,引入电子,MC,模块,引入电子波尔兹曼方程,8.4,等离子体流体模型的扩展性,功率源项的修正,163,针对,ICP,腔室,波尔兹曼方程的解析理论,等离子体极化电流,8.4,等离子体流体模型的扩展性,164,8.4,等离子体流体模型的扩展性,165,8.4,等离子体流体模型的扩展性,166,8.4,等离子体流体模型的扩展性,167,8.4,等离子体流体模型的扩展性,168,8.4,等离子体流体模型的扩展性,169,8.4,等离子体流体模型的扩展性,170,电磁模块,流体力学方程组,等离子体密度,等离子体沉积功率,8.4,等离子体流体模型的扩展性,171,电磁模块,流体力学方程组,等离子体密度,等离子体沉积功率,流体力学方程组,沉积功率,电子动力学方程,电磁模块,极化电流和电场耦合,沉积功率里引入电子动力学效应,8.4,等离子体流体模型的扩展性,引入电子,MC,模块,172,8.4,等离子体流体模型的扩展性,173,8.4,等离子体流体模型的扩展性,174,8.4,等离子体流体模型的扩展性,引入电子波尔兹曼方程,175,8.4,等离子体流体模型的扩展性,引入电子波尔兹曼方程,176,
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