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PVD和CVD过程中等离子体物理特性混合模拟及实验研究

【摘要】:基于等离子体技术的物理气相沉积(Physical Vapour Deposition, PVD)和化学气相沉积(Chemical Vapour Deposition, CVD)是目前低温制备薄膜材料最常用的方法,等离子体的物理特性对薄膜沉积速率和薄膜质量有直接影响。本文针对FJL560CI1型超高真空磁控与离子束联合溅射镀膜机和RF-500型化学气相沉积镀膜机,建立了容性放电等离子体的混合模型,包括波尔兹曼方程,一维流体动力学模型和MC模型,并对Ar等离子体和CH4等离子体进行了求解。另外,设计制作了朗缪尔探针、法拉第探针和法拉第离子能量分析器,对Ar等离子体进行了实验测试,并对混合模型模拟结果进行对比验证。 通过求解利用Lorentz近似方法简化的波尔兹曼方程分别对直流稳态电场和射偏电场下Ar等离子体中电子的能量及其分布特性进行了模拟计算,结果表明,在高电场时电子能量呈直线形式的Maxwellian分布,而在低电场时呈类似抛物线的Druyvesteyn分布,放电压力对电子能量分布形式的影响不明显。汤生放电时,电子平均能量最大值约为11eV,电子电离率系数随电子平均能量的升高逐渐增大,最大电离率系数在10-14m3s-1量级。放电压力为27Pa时,电子的迁移率系数和扩散率系数分别为μe≈107m2V-1s-1,De≈690m2s-1.射频放电时,电子平均能量和电离率系数的变化规律与汤生放电相同,但电子输运系数呈明显的时空不均匀分布。朗缪尔探针的测试结果表明,强电场时电子能量呈Maxwellian分布,随着放电功率的增大或放电压力的升高,电子平均能量均逐渐减小。 通过求解一维流体动力学模型对射频容性Ar等离子体的特性进行了模拟计算,结果表明,在ωt≈π/2时刻接地极板附近和ωt≈3π/2时刻电源极板附近的鞘层区域,电场强度较高,鞘层厚度最小,电子平均能量和电子反应的电离率系数也较高,电子密度周期变化剧烈,而离子密度相对稳定。随着放电压力升高,等离子体密度增大,鞘层厚度逐渐减小;随着放电电压增大,等离子体密度增大,鞘层厚度逐渐增大;随着自偏压增大,等离子体密度减小,鞘层厚度逐渐增大。用法拉第探针以电流密度的形式测试了等离子体密度,结果表明随着放电压力升高或放电电压增大,离子电流密度增大,亦即等离子体密度增大,与流体动力学模型的计算结果相同,也证明了该模型的正确性。 通过MC模型对射频容性Ar等离子体中离子入射的能量及其分布特性进行了模拟计算,结果表明,放电压力低时,高能量离子分布较多,且在高能区域分布曲线呈双峰形式,离子入射的角度较小;放电压力高时,低能量离子分布较多,能量分布曲线偏向于低能量区域,且高能峰消失,离子入射角度增大;放电电压升高,离子能量分布曲线向高能区域移动,能峰之间的距离变长,角度分布曲线向小角度区域移动;随着自偏压升高,入射离子的能量增大,能量分布曲线向高能量区域移动,能峰间距变化不大,离子入射角度减小。法拉第离子能量分析器的测试结果表明,低放电压力时,离子能量较高且在高能区域呈双峰形式,高放电压力时,离子能量较低且能量分布高能峰消失。 根据CH4等离子体中电子的化学反应将波尔兹曼方程扩展,并对射频容性CH4等离子体进行了模拟计算,结果表明,CH4等离子体中电子能量分布规律与Ar等离子体相同,即在高电场时呈Maxwellian分布,而在低电场时呈Druyvesteyn分布。电子反应的电离率系数和分裂率系数之和均在10-14m3s-1量级,放电压力为18Pa时电子的输运系数μe≈600m2V-1s-1,De≈1300m2s-1。 根据CH4等离子体中电子、离子、激发态粒子的化学反应将第三章的流体动力学模型扩展,并对射频容性CH4等离子体进行了模拟计算,结果表明,CH4等离子体中电势/电场、等离子体密度的时空分布规律与Ar等离子体相同,激发态粒子空间变化不明显;CH3、C2H5、C2H5+、CH5+是CH4等离子体中的主导粒子,对基片上薄膜的生长有主要贡献。

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