MEMS加工中电感耦合等离子体（ICP）刻蚀硅片的模型与模拟

论文摘要

在MEMS器件及系统的制造中,电感耦合等离子体(ICP)对硅片的刻蚀工艺由于具备操作简单、各向异性性能好、刻蚀速率快、成本低等特点,是目前实现高深宽比结构制造的主流工艺。由于目前ICP刻蚀没有成熟的商用模拟工具,其工艺的研究主要还是依赖经验和反复试探。因而开发快速有效的ICP刻蚀模型或工艺仿真工具,对MEMS制造过程的预测、控制与优化,进而降低制造成本,具有相当重要的作用,是MEMS CAD领域的前沿研究方向。对ICP刻蚀的相关课题研究包括:ICP刻蚀装置及其参数的实验研究,ICP刻蚀装置内的等离子体分布及相关参数的模拟,单步等离子体刻蚀硅片(RIE)的机理与模型研究,以及当前常用的交替复合深刻蚀(TMDE)过程及其相关效应的模型研究等等。本论文主要对ICP刻蚀中的单步RIE刻蚀及TMDE的模型进行了研究。本文的主要工作有:1.对ICP刻蚀硅片工艺的发展现状、现有的ICP刻蚀相关的模拟模型及其特点作了介绍,以使对ICP设备、工艺过程、刻蚀的主要类别与相关原理,及现有模型的优缺点有总体的了解。2.利用合理的简化,以带电离子和中性粒子为代表,大量减少模拟粒子数量,简化相关的反应,用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法,模拟了ICP刻蚀装置中的气体分布的主要参数。3.基于先进的表面演化方法“线算法”和对离子辅助刻蚀的模型研究,对ICP刻蚀中的单步刻蚀工艺建立了一种对时间和刻蚀尺度归一化的反应离子刻蚀模型,并利用该模型从数值算法的角度,证明在固定宽度结构的刻蚀中存在刻蚀速率随时间变小的现象。同时还对刻蚀算法中的时间步长选择问题进行了讨论,4.建立了一种基于线算法的ICP TMDE模型,采用单一的二维廓线“线算法”模型实现对刻蚀材料的区分,解决了算法速度与实现功能的矛盾,进而实现了对ICP DRIE的二维模拟和三维带状显示。5.针对一定的实验特征,提出了合理的表面描述方程,并基于实验方法提取方程中的参数,实现了对TMDE加工过程中的重要现象:Footing效应的数值模拟。本论文中模拟ICP刻蚀装置中的气体分布,其优点是模拟速度快,精度仍能保持较高。对ICP刻蚀,在单步RIE刻蚀的建模及对刻蚀速率的研究中,提出了一种全新数值方法,证明了固定宽度结构刻蚀中的速率变化规律,并从数值计算的角度提出了最优时间步长的概念并加以验证,为建模工作者提供了有益的参考。建立的ICP TMDE模型,其优点是比已有报道的元胞及混合模型算法统一,模拟的表面更加平滑连续,运行效率高、速度快一个数量级,为工艺仿真模拟器的准实时应用开创较大的可能性。与实验结果的对比显示,本模型的模拟结果与实验吻合较好,并能实现刻蚀表面的细部仿真。同时,这是目前首个能够模拟Footing效应的TMDE工艺仿真软件,仿真结果更具普适性。所仿真的Footing效应表面特征与实验结果保持了良好的一致性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 序论
• 1.1 MEMS简介
• 1.2 MEMS加工技术
• 1.2.1 表面微机械加工技术
• 1.2.2 体微机械加工技术
• 1.2.3 LIGA技术
• 1.3 电感耦合等离子体（ICP）刻蚀技术
• 1.3.1 ICP刻蚀装置
• 1.3.2 ICP模型
• 1.3.3 刻蚀表面演化算法
• 1.3.4 等离子体刻蚀硅片的机理与模型
• 1.3.5 可用于等离子体刻蚀的现有模拟工具
• 1.4 课题研究的背景与意义
• 1.5 论文的主要工作
• 1.6 本章小结
• 第二章 ICP装置腔体内的气体分布模拟
• 2.1 气体分布模拟的现有问题与困难
• 2.2 DSMC的要点
• 2.3 模拟试验及参数设定
• 2.3.1 模拟中的假设
• 2.3.2 模拟参数的设定
• 2.4 模拟结果与讨论
• 2.4.1 模拟结果
• 2.4.2 与已有模拟的比较
• 2.5 本章小结
• 第三章 ICP刻蚀中的单步反应离子刻蚀模型研究
• 3.1 刻蚀表面几何模型
• 3.1.1 线算法
• 3.1.2 2-D沟槽结构的刻蚀几何模型
• 3.2 等离子体鞘层模型
• 3.2.1 等离子体鞘层
• 3.2.2 一种简化的鞘层离子模型
• 3.3 入射离子流通量
• 3.4 入射中性粒子流通量
• 3.5 刻蚀反应
• 3.6 刻蚀模型的归一化数值解法
• 3.7 刻蚀速率的模拟结果与讨论
• 3.8 本章小结
• 第四章 交替复合深刻蚀（ICP TMDE）的模型研究
• 4.1 交替复合深刻蚀
• 4.2 刻蚀模型
• 4.3 淀积模型
• 4.4 单一线算法对不同刻蚀材料的区分
• 4.5 几何修正及程序稳定性
• 4.6 Footing效应及其建模
• 4.7 模拟与实验结果比较
• 4.7.1 参数R的调整及其对入射离子流的影响
• 4.7.2 ICP复合深刻蚀的模拟及实验对比
• 4.7.3 Footing效应的模拟及实验对比
• 4.8 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 图表索引
• 在学期间发表的论文