半導(dǎo)體工業(yè)中的等離子體與稀薄氣體工藝仿真

Plasma and rarefied gas process simulation in the semiconductor industry

等離子體工藝在半導(dǎo)體制造中極為普遍。芯片制造過程由數(shù)百個工藝步驟組成，其中很多工藝都要利用等離子體。例如等離子體蝕刻、磁控濺射鍍膜、物理氣相沉積(PVD)或等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 (PECVD)、等離子體灰化、真空蒸鍍等。

1. 等離子體刻蝕設(shè)備仿真

案例1  放電等離子體刻蝕

第一步  放電仿真

外邊界接地，模型尺寸150mm×200mm，仿真使用PHM模塊，采用二維軸對稱模型。

第二步  鞘層中離子分布仿真

利用第一步運算結(jié)果的密度分布，電場變化以及模型文件；仿真使用IMCSM模塊，采用二維軸對稱模型。

SF5+角度分布                       SF5+能量分布

第三步  刻蝕仿真（干法刻蝕）

導(dǎo)入第二步結(jié)果參數(shù)（角度分布和能量分布）到刻蝕仿真模塊中，模型尺寸3μm×7μm。

案例2  Flare刻蝕

FPSM2D用于研究不同刻蝕氣體組分對硅表面刻蝕的影響，并給出形貌演化。

2. 磁控濺射仿真

對于磁控濺射的仿真，可以分為四個步驟：1) 建立背景磁場；2) 在背景磁場作用下，通過氣體放電，獲得到達(dá)靶材壁面的離子流量；3) 具有一定能量的離子轟擊到靶材，濺射靶材原子；4) 濺射出來的靶材原子沉積到基片，形成鍍膜。

磁場計算→放電計算→靶材濺射計算→靶材粒子輸運計算

案例1  2D磁控濺射全過程仿真

案例2  3D磁控濺射全過程仿真

本例是做磁控濺射三維放電模擬。其中靜磁場、等離子體放電分別采用MSSM3D、PIC-MCCM3D模塊。

等離子放電仿真：

             電子密度分布XY方向切片圖              電子密度ZX面切片圖

電位分布XY方向切片圖                電位分布ZX面切片圖

離子密度分布（XY方向）                 離子密度分布（XZ方向）

濺射Al原子XY面密度分布       濺射Al原子ZX面密度分布，靠近基板

3. 真空蒸鍍仿真

真空蒸發(fā)鍍膜是在真空條件下，用蒸發(fā)器加熱蒸發(fā)物質(zhì)使之汽化，蒸發(fā)粒子流直接射向基片上沉積形成固態(tài)薄膜的技術(shù)。RGS3D模塊利用直接蒙特卡洛方法模擬氣體分子的碰撞和輸運過程，可以計算三維任意形狀的稀薄氣體流動，既可以處理結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格也可以處理四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型，支持模型中有運動的部件、蒸發(fā)源、進(jìn)氣出氣端口等特征�？梢暂敵鲋行粤Ｗ用芏�、溫度、流速、能量分布等參數(shù)，可以統(tǒng)計粒子的壓強(qiáng)、平均自由程、流場分布等參數(shù)。

真空蒸鍍仿真案例 (多源共蒸發(fā))

多源共蒸發(fā)仿真，用于薄膜工藝仿真，包括真空腔內(nèi)稀薄氣體仿真、熱仿真和面板壁面的沉積仿真。

基板壁面沉積仿真如下圖：

4. PVD仿真

案例1  多層膜PVD模擬

被吸附的粒子的能量和角度分布分別為10eV和cos的四次方；三種入流粒子；每種粒子的模擬數(shù)量為5兆。

入射角度分布                形狀分布(T=200s)

案例2  3D物理氣相沉積：銅鍍膜

利用FPSM3D模塊對工件表面進(jìn)行的物理氣相沉積過程進(jìn)行仿真。給出沉積薄膜的形貌、厚度等特征，從微觀角度了解沉積過程。

5. CVD仿真

噴頭結(jié)構(gòu)CVD裝置中稀薄氣體流動仿真

噴嘴與腔體

壓強(qiáng)

密度