浸没式等离子体注入设备的仿真优化

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院微电子研究所 作者:窦 伟

  针对集成电路注入设备对等离子体大面积、高密度和良好均匀性的要求,利用CFD-ACE仿真软件对1500mm×1500mm大面积感应耦合等离子体腔室做了多物理场综合仿真。利用正交实验法对等离子体腔室结构和工艺参数进行仿真优化,得到了能够产生高密度均匀的等离子体优化参数。对参数优化后的等离子体腔室做了仿真分析,结果表明腔室中气体流速会受到电极卡盘上方线圈的扰动。另外仿真发现腔室中电极卡盘上方等离子体密度具有整体分布均匀,但是边缘部分出现等离子体密度陡变的特点。分析原因为工艺气体的扰动以及电极卡盘边缘上表面和侧面对等离子体双重复合两方面的影响。

  等离子体处理工艺在集成电路生产制造过程中具有非常重要的作用。在集成电路微加工过程中,大约有三分之一的工序基于等离子体处理技术。工业生产过程中常用的等离子体源有容性耦合等离子体源(Capacity Coupled Plasma)、电子回旋共振等离子体源(Electron Cyclotron Resonance)和感性耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma)等。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为其中感性耦合等离子体源结构简单,低气压工艺条件下工作稳定,并且能够在大面积处理工艺上产生高密度,均匀等离子体,在集成电路工艺过程中得到了广泛的应用。

  下一代薄膜场效应晶体管(ThinFilmTransistor)和液晶显示技术(LiquidCrystalDisplay)的发展对大面积等离子体源的等离子体密度和均匀性提出了很高的要求。近年来人们对大面积等离子体源已经有了深入细致的研究。Chen等提出了一种永磁体约束的大面积圆柱形等离子体源,该等离子体源具有7组矩形线圈阵列,能够在400mm直径处理面积上达到等离子体3%的非均匀性。Kim等提出了一种矩形感应耦合等离子体源,其中基底处理面积为880mm×680mm,其等离子体非均匀性可达8%。另外,Lim等设计了一个超大面积感应耦合等离子体源,使用“双梳型”天线嵌入到等离子体腔室,在2300mm×2000mm处理面积上能够达到11.4%到18.1%的等离子体非均匀性。在实际的IC工艺装备制造过程中,等离子体源的设计周期长,成本高,而且需要经过多次调试和修改才能定型,因此在制造IC工艺装备之前对大面积等离子体源进行仿真分析是非常有必要的。

  本文提出了一种实现大面积注入工艺的感应耦合等离子体注入设备。本文首先利用CFD-ACE软件对腔室中等离子体情况作了多物理场仿真,然后利用正交实验法详细讨论了腔室结构和工艺参数多个变量对大面积等离子体的影响,得到良好的仿真效果以及等离子体优化方案,对实际工艺设备具有重要的指导意义。

  结论

  本文利用CFD-ACE商用软件对注入工艺的设备做了综合仿真,得到了能够满足注入工艺的仿真结果。首先设计L16(4×5)正交实验表对腔室等离子体做了16次正交实验仿真,得到了腔室多个参量对腔室等离子体密度和均匀性影响程度大小,然后根据正交实验结果提出了2D等离子体腔室优化的优化方案,大大提高了反应腔室中等离子体密度以及等离子体均匀性。最后本文通过对优化后的腔室等离子体产生情况进行分析,发现电极卡盘上方等离子体分布平坦,但是在边缘部分出现明显的边缘效应。因此下一步重点研究减小等离子体的边缘效应的改进方案,从而进一步提高等离子体均匀性,以满足注入工艺对大面积等离子体均匀性的要求。

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