半导体工业中的等离子体与稀薄气体工艺仿真

Plasma and rarefied gas process simulation in the semiconductor industry

等离子体工艺在半导体制造中极为普遍。芯片制造过程由数百个工艺步骤组成，其中很多工艺都要利用等离子体。例如等离子体蚀刻、磁控溅射镀膜、物理气相沉积(PVD)或等离子体增强化学气相沉积 (PECVD)、等离子体灰化、真空蒸镀等。

1. 等离子体刻蚀设备仿真

案例1  放电等离子体刻蚀

第一步  放电仿真

外边界接地，模型尺寸150mm×200mm，仿真使用PHM模块，采用二维轴对称模型。

第二步  鞘层中离子分布仿真

利用第一步运算结果的密度分布，电场变化以及模型文件；仿真使用IMCSM模块，采用二维轴对称模型。

SF5+角度分布                       SF5+能量分布

第三步  刻蚀仿真（干法刻蚀）

导入第二步结果参数（角度分布和能量分布）到刻蚀仿真模块中，模型尺寸3μm×7μm。

案例2  Flare刻蚀

FPSM2D用于研究不同刻蚀气体组分对硅表面刻蚀的影响，并给出形貌演化。

2. 磁控溅射仿真

对于磁控溅射的仿真，可以分为四个步骤：1) 建立背景磁场；2) 在背景磁场作用下，通过气体放电，获得到达靶材壁面的离子流量；3) 具有一定能量的离子轰击到靶材，溅射靶材原子；4) 溅射出来的靶材原子沉积到基片，形成镀膜。

磁场计算→放电计算→靶材溅射计算→靶材粒子输运计算

案例1  2D磁控溅射全过程仿真

案例2  3D磁控溅射全过程仿真

本例是做磁控溅射三维放电模拟。其中静磁场、等离子体放电分别采用MSSM3D、PIC-MCCM3D模块。

等离子放电仿真：

             电子密度分布XY方向切片图              电子密度ZX面切片图

电位分布XY方向切片图                电位分布ZX面切片图

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

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

3. 真空蒸镀仿真

真空蒸发镀膜是在真空条件下，用蒸发器加热蒸发物质使之汽化，蒸发粒子流直接射向基片上沉积形成固态薄膜的技术。RGS3D模块利用直接蒙特卡洛方法模拟气体分子的碰撞和输运过程，可以计算三维任意形状的稀薄气体流动，既可以处理结构化网格也可以处理四面体非结构化网格模型，支持模型中有运动的部件、蒸发源、进气出气端口等特征。可以输出中性粒子密度、温度、流速、能量分布等参数，可以统计粒子的压强、平均自由程、流场分布等参数。

真空蒸镀仿真案例 (多源共蒸发)

多源共蒸发仿真，用于薄膜工艺仿真，包括真空腔内稀薄气体仿真、热仿真和面板壁面的沉积仿真。

基板壁面沉积仿真如下图：

4. PVD仿真

案例1  多层膜PVD模拟

被吸附的粒子的能量和角度分布分别为10eV和cos的四次方；三种入流粒子；每种粒子的模拟数量为5兆。

入射角度分布                形状分布(T=200s)

案例2  3D物理气相沉积：铜镀膜

利用FPSM3D模块对工件表面进行的物理气相沉积过程进行仿真。给出沉积薄膜的形貌、厚度等特征，从微观角度了解沉积过程。

5. CVD仿真

喷头结构CVD装置中稀薄气体流动仿真

喷嘴与腔体

压强

密度