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电子回旋共振放电的理论、计算机模拟进展.pdf

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http://www.paper.edu.cn 电子回旋共振放电的理论、计算机模拟进展 杨中海，金晓林 电子科技大学物理电子学院(610054) email:zhyang@uestc.edu.cn 摘要：近年来，因电子回旋共振（ECR）等离子体具有低气压、高密度、高电离度等优势 而被广泛地应用于微电子工业中，并吸引了众多学者的关注。本文对ECR放电及其生成等离 子体的理论、计算机模拟方法进行了综述、总结和对比，并对今后的研究前景进行了展望。 关键词：ECR放电,ECR等离子体,粒子模拟（PIC）,蒙特卡罗（MCC）,PIC/MCC 1.引言 随着低温等离子体在微电子工业中材料加工、器件制作方面的广泛应用和快速发展，对 低气压、高密度等离子体源的需求与日俱增。目前可采用电子回旋共振(ElectronCyclotron Resonance,简写为ECR)放电、感应耦合射频放电、螺旋波放电等方式生成。ECR放电产生的 等离子体具有更多优势和高度发展潜力而十分引人注目。ECR放电生成的等离子体具有高密 度、高电离度、大体积、均匀、无电极污染、运行气压低、设备简单、参数易于控制等优点， 广泛应用于材料加工的方方面面，如：刻蚀、薄膜沉积、溅射、表面清洁等，特别是刻蚀方 面[1]，由于ECR放电运行气压低，因此会降低鞘层区域中离子和中性粒子的碰撞，从而提高 刻蚀的各向异性，并避免基片受热；会增强等离子体和中性粒子的扩散，促进粒子空间分布 的均匀性；特别在微细加工中具有独特的优势，因气压可低至mTorr，使得对微小尺寸的加 工易于操作。微波能量通过介质窗耦合给放电气体，在基片表面形成低压鞘层，该鞘层会降 低对离子的加速，从而减弱对基片的损坏。ECR放电系统外加轴向递减静磁场，可加速等离 子体，实现对材料表面的同步沉积和离子注入。ECR放电还可以产生高密度、高电荷态离子 束，该离子束在原子物理、核物理、高能物理，甚至工业应用（如：癌症的治疗）等方面均 已经被广泛应用[2-4]。 正是由于ECR等离子体源广阔的应用前景，吸引了很多学者对其进行了大量的科学研 究。 在实验方面，人们已经可以通过Langmuir探针[5-8]、Doppler-Shifted激光感应荧光计 [9-11]、激光Thomsonscattering[12-13]、激光消融技术[14]、光谱法[15]等来进行诊断。但由于ECR 放电复杂的变化过程，使得仅仅利用实验是无法深刻理解其物理机制和瞬态过程的，而且诸 如：ECR加热、粒子的输运过程、带电粒子特别是离子的能量分布和角分布，对实际的应用 起直接的指导作用，这些都需要对ECR放电进行深入的理论研究。 但至今为止，理论工作相对较少，而且尚不成熟。理论和实验研究工作的不同步主要是 -1- http://www.paper.edu.cn 因为：ECR放电中的各种物理过程变化很快，各种粒子运动的时间又不同步，这导致模拟的 计算量非常大；并且由于ECR放电中电子回旋共振的特征，使得二维甚至是三维的模拟才较 符合实际的物理过程，而维数的增加会导致模拟的计算量呈数量级的增长；ECR放电系统结 构复杂多样，控制放电的参数很多，无形之中又增加了理论研究的难度。不过随着高速度、 大容量高性能计算机的快速发展，使得对ECR放电理论、计算机模拟的深入研究成为可能。 2.ECR放电的理论、计算机模拟 通常ECR放电装置如图[16](1)所示。微波功率通过微波窗馈入放电室，在电子回旋共振 条件下，微波能量耦合给放电气体，再加上外部电磁线圈产生的轴向递减静磁场的作用，产 生高能电子。这些电子与中性粒子碰撞，使中性粒子电离或激发，从而生成等离子体，该等 离子体又向放电区下游运动。通常放电稳定后会在放电空间依次形成源区、准中性区（即等 离子体区）、预鞘层、鞘层等几个区域。 图（1）双电磁线圈ECR放电装置 ECR放电系统可近似为平板模型[17-19]，馈入微波视为平面电磁波；准三维模型，即一维 （轴向）网格划分，但粒子的动量和位置、场均取三维分量，此时横向场可以取波导场分布； 二维模型，取轴对称；更精确的是三维模型，但理论、计算机模拟的复杂度和计算负担都很 [20] 大。系统半径可以为常数或细致考虑半径的变化。馈入微波通常为波导模式（如：TE10， [21][22-23][24][25] TE0n，TE11，TM01或混合模式）。外加电磁线圈产生的静磁场通常有递减和镜像两 种形态[26]。系统边界分为三部分：左边界为微波馈入端；右边界可以是绝缘壁，也可以是导 体壁(接地或加直流偏压[27])，也可以看作是吸收边界；其余周围边界为导体壁。放电系统内 部充满工作气体，可以是单一气体，也可以是混合气体，通常