基于LBM模型的大尺寸高频放电装置的设计方法

450mm node of IC wafer diameter will be reached. The radio frequency of the chamber increases gradually at the same time. The increase of the wafer size and radio frequency bring new challenge to the uniformity of the etched depth/ deposition thickness. Skin effect, the standing wave effect and the presence of a large high-order harmonic affect etch / deposition uniformity, resulting in waste wafers increased. To study the design of large-size wafer chamber structure and process parameters, gas discharge process inside the chamber will be modeled. With the finite difference / finite volume method for modeling the electronics/ions and electromagnetic equations and with the lattice Boltzmann method for modeling the flow of neutral gas, and based on the time scale for each process coupled, the discharge can be modeled. Take uniformity as a primary indicator to evaluate the chamber structure and process parameters. The design method of the chamber structure and process parameters for improving the non-uniformity of the plasma density is studied.

集成电路的晶圆直径即将达到450mm节点，腔室的射频放电频率同时逐渐增加。晶圆尺寸和频率的增加给刻蚀/沉积的均匀性带来了新的挑战，趋肤效应、驻波效应以及高次谐波的存在产生了较大的刻蚀/沉积不均匀性，造成废片的增加。为了研究大尺寸晶圆腔室结构和工艺参数的设计方法，本文将对腔室内部的工艺气体放电过程进行建模。使用有限差分/有限体积方法对电子离子运动和电磁场方程进行建模，对中性气体流动使用格子玻尔兹曼方法进行建模，并依据时间尺度对各个过程进行耦合。以放电均匀性作为评价大尺寸腔室结构和工艺参数的指标，研究能够完善等离子体数密度径向分布非均匀性的腔室结构和工艺参数的设计方法。

大面积薄膜均匀刻蚀/沉积是高频技术应用于大尺寸平行板电极PECVD反应室后产生的一个技术难题。实际测试中出现了等离子体密度中心高和边缘高的形状，据称这是大尺寸高频放电中存在的电磁效应。晶圆片从300mm过渡到450mm，对均匀性的要求催生了新腔室的结构和工艺参数设计新方法的需求。. 本研究从解决大尺寸晶圆刻蚀/沉积的不均匀性出发，以腔室内放电物理化学过程的数值建模为基础，自主开发出一套数值代码，使用该代码可计算和评估大尺寸腔室开发中的几何结构设计方案和工艺参数组合方案。开发工具从完整的Maxwell方程组出发，耦合求解电磁场方程，中性流体流动，电子和离子的运动方程和电子的能量方程；对腔室结构参数和加工工艺参数方案组合进行计算和评估，特别是分析其等离子体密度的径向分布均匀性；使用计算结果训练响应面，在响应面上寻找合适的设计方案。我们对大尺寸腔室在低频和高频下都进行了参数评价和响应面分析，得到的方案能大大降低初始设计带来的非均匀性。. 我们在等离子体电磁效应的研究中首次提出了求解Lorentz约束的Maxwell方程组的思路，并将其简化为电势同涡电场的标量四方程，该形式可以用于一维问题（双方程）的求解而不用担心磁场强度的叉积问题。在进行轴向一维分析的时候，发现双频和谐波驱动电场的欧姆加热出现有趣的现象，分析显示是射频波形叠加的结果，这提示我们或可从波形叠加入手对电子欧姆加热进行主动控制，可以像搭积木一样搭出想要的波形来驱动等离子体。另外我们还发现，静电场在轴向一维欧姆加热中占主导地位，在总体欧姆加热中的占比超过95%，而涡电场加热虽然占的比例小，但不能忽略，其作用相当于一个催化剂，能够催化静电场加热变得更强，比如在一个算例中我们发现涡电场加热只占总加热量的2.4%，但是有涡电场时的静电场加热相比无涡电场时的静电场加热增强了90%。这也提示我们或可通过施加恒定交变电场的方式对静电场的欧姆加热进行强化。