ИСТИНА

Проект направлен на моделирование плазмы современных реакторов, основанных на индукционных и емкостных разрядах. Плазменные технологии являются ключевыми в современном производстве СБИС, так как бόльшая часть технологических процессов проходит с участием плазмы. В связи с этим приоритетной задачей при изучении низкотемпературной неравновесной плазмы является исследование фундаментальных механизмов, позволяющих минимизировать образование дефектов при взаимодействии плазмы с поверхностью в процессах травления, распыления, осаждения и очистки. Успешное решение этой задачи связано с возможностью прецизионного контроля параметров плазмы: потоков и спектров ионов, спектрального диапазона ВУФ излучения и потоков активных нейтральных частиц. Информация о таких параметрах плазмы может быть получена из адекватных численных моделей для описания процессов в плазме индукционных и емкостных разрядов в реакторах совместно с проведением лабораторных экспериментов для тестирования моделей. Для индукционного разряда будет разработана двумерная гидродинамическая модель в аргоне и азоте с учетом нейтральной кинетики, нагрева и протока газа. Для емкостного разряда будет разработана двумерная кинетическая модель на основе метода Частиц в Ячейки с Монте-Карло столкновениями (PIC MCC). Данная модель включает кинетическое рассмотрение движения электронов, ионов и быстрых нейтральных частиц, уравнение Пуассона для самосогласованного электрического поля, а также уравнения для пространственного распределения концентраций нейтральных частиц в гидродинамическом приближении. Научная новизна поставленной задачи для моделирования индукционного разряда заключается в использование новых данных о процессах диссоциации в азоте, полученных в отделе микроэлектроники НИИЯФ МГУ. Было показано, что в стационарном разряде в азоте диссоциация осуществляется прямым электронным ударом через возбуждение предиссоционного состояния N2* из колебательно возбужденных молекул N2(X,v). В то время как часто используемая реакция химической диссоциации N2(A) + N2(14≤υ≤19) → N + N + N2 не позволяла описать имеющиеся данные. Для задачи двумерного кинетического моделирования вч емкостного разряда будет рассмотрена перестройка функции распределения электронов по энергиям и эффект ухода "горячих" электронов на боковые диэлектрические стенки. Планируется провести распараллеливание двумерной кинетической модели на графических процессорах для сокращения времени счета задачи.

The project aims to simulate the plasma of modern reactors based on inductive and capacitive discharges. Plasma technologies play the key role in modern VLSI fabrication, since most of the technological processes take place with the participation of the plasma. In connection with this, the priority task in the study of low-temperature nonequilibrium plasma is the investigation of fundamental mechanisms that allow minimizing the defects formation in the process of plasma surface interaction during etching, sputtering, deposition, and cleaning. A successful solution of this problem is connected with the possibility of precise control of plasma parameters: ion fluxes and ion energy distribution functions, VUV photons and active neutral particles fluxes. Information on such plasma parameters can be obtained from adequate numerical models for describing processes in inductive and capacitive discharges in reactors in conjunction with laboratory experiments for models testing. For the inductive discharge, a two-dimensional hydrodynamic model will be developed in argon and nitrogen, taking into account neutral kinetics, gas heating and gas flow. For the capacitive discharge, a two-dimensional kinetic model will be developed based on the Particle in cell method with Monte Carlo collisions (PIC MCC). This model includes a kinetic analysis of the motion of electrons, ions and fast neutral particles, the Poisson equation for a self-consistent electric field, and also the equations for the spatial distribution of the concentrations of neutral particles in the hydrodynamic approximation. The scientific novelty in the simulation of inductive discharge is the use of new data on the processes of dissociation in nitrogen obtained in the department of microelectronics of the Institute of Nuclear Physics of the Moscow State University. It was shown that in a stationary discharge in nitrogen, dissociation is effected by direct electron impact through excitation of the predissociative state N2* from vibrationally excited N2(X, v) molecules. While the frequently used reaction of chemical dissociation N2(A) + N2 (14≤υ≤19) → N + N + N2 did not allow describing the available data. For the problem of two-dimensional kinetic simulation of a capacitive discharge, we will consider a rearrangement of the electron energy distribution function and the effect of the "hot" electrons escape at the dielectric side walls. It is planned to parallelize the two-dimensional kinetic model on graphic processors to reduce the time of the calculation.

Ожидаемыми результатами проекта являются: - расчеты параметров плазмы по двумерной гидродинамической модели индукционного разряда в аргоне и азоте - сравнение расчетов в индукционном разряде в аргоне с экспериментальными данными - рассчитанные значения потоков заряженных частиц и активных нейтральных частиц (радикалов и молекул в возбужденном состоянии) из плазмы азота в зависимости от давления газа и мощности разряда. - эффект от включения в модель индукционного разряда отдельного уравнения для импульса ионов по сравнению с диффузионно-дрейфовым приближением Для прецизионного контроля при обработке различных материалов в плазме необходимо знать потоки заряженных частиц и радикалов из плазмы. Рассчитанные по модели потоки частиц из плазмы индуктивного разряда будут использованы в дальнейшем DFT моделировании модификации новых материалов. Послесвечение ICP плазмы в азоте используется в процессе травления фоторезиста (strip plasma) при обработке материалов с низкой диэлектрической постоянной (low-k материалы). По результатам проекта после исследования потоков частиц из плазмы азота возможно предложение режимов для создания вакансий на поверхности новых перспективные материалы на основе Mo-S2. Для двумерной кинетической модели емкостного ВЧ разряда ожидаемыми результатами являются: - алгоритм двумерного расчета ВЧЕ разряда в аргоне - результат сравнения двумерной модели ВЧЕ разряда с диэлектрическими боковыми стенками с результатами одномерного расчета по имеющейся 1D PIC MCC программе, - результат сравнения двумерного расчета в случае отражающих боковых стенок с результатами одномерного расчета по имеющейся 1D PIC MCC программе - оптимальная конфигурация для параллельного выполнения на чипсетах Geforce от Nvidia, включающая в себя необходимое число ячеек расчетной сетки в одном блоке параллельных вычислений, число параллельных вычислительных нитей (threads) в одном блоке, и размер сетки блоков в вычислительном ядре. - эффект перестройки ФРЭЭ в ВЧЕ разряда при двумерном моделировании вследствие ухода электронов на боковые диэлектрические стенки - возможность описания экспериментальных данных о спектроскопии в ВЧЕ разряде в аргоне в рамках двумерной модели Научная и общественная значимость результатов связана с необходимостью развития численных моделей процессов в современных реакторах для дальнейшего развития микроэлектроники. Запланированные результаты соответствуют мировому уровню исследований.