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プラズマ

メートル規模のICPリアクターでプラズマ放電をシミュレートするには?

人類は火をコントロールし、日常生活に利用することを学んだことで、大きな飛躍を遂げました。 固体、液体、気体に続く、物質の第四の状態とも言われるプラズマを生成し、扱うことができるようになったときにも、同様の飛躍がありました。

今日、あらゆる民生用電子機器やコンピュータのハードウェアは、その中核となる製造技術にプラズマを利用しています。 半導体産業だけでなく、冶金、航空宇宙、自動車、化学、医療などの産業もプラズマ技術に依存しています。

プラズマはいくつかの方法で発生させることができますが、 産業用途でよく使われるプラズマのひとつに誘導結合プラズマ(Inductively Coupled Plasma: ICP)があります。 その名の通り、高周波交流が供給された誘導コイルが、プラズマを生成・維持するためのエネルギーを供給します。 このタイプのプラズマは、広い範囲の圧力、流量、ガス組成で発生させることができます。 そのため、誘導結合プラズマは、論理回路やメモリーなどを組み込んだ超大規模集積回路の、目に見えない電子部品のエッチングや成膜などに使う高密度プラズマを生成する用途で、半導体メーカーに特に好まれています。 同様の、しかしより大規模な誘導結合プラズマの放電が、フラットパネルディスプレイやソーラーパネルの製造にも利用されています。

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VizGlow: 非平衡プラズマの実際の物理をシミュレートする

プラズマの放電・流動・電磁気シミュレーションは、過渡的な電磁場、化学反応による電子・イオン密度の時空間変化、電源供給のための複雑な回路構成、表面反応の多さなどを考慮する必要があり、多くの点で困難が伴います。産業界の研究者や製品開発者は、幅広い長さスケールでのプラズマの挙動を理解するために、最高精度のシミュレーションに勝るものはないと考えています。

Esgee Technology社では、過去15年にわたり、半導体業界が求める最も困難な目標を達成するために、主力シミュレーションソフトウェアであるVizGlowを開発してきました。 VizGlowは、プラズマ、電磁気学、反応流れ、表面化学、電気回路を結合することにより、ICPを非常に忠実にシミュレーションすることが可能です。 正確で複雑な産業用ウェハープロセスリアクターの大規模3次元非構造メッシュをサポートしています。 さらに、複数のターンコイル(本研究)、パルス化、多周波数の入力電力、特定の表面でのRFバイアス、 永久磁場の適用、空洞共振モードでの動作など、従来のICPに様々な変更を加えることが可能です。これらの改造はすべてVizGlowを使用してシミュレーションすることができます。

この記事では、VizGlowを使用してシミュレーションした、大規模な複数コイルICPリアクターについて説明します。

ICP

産業界で使われる 大型ICPリアクター

ICPリアクターは、半導体、フラットパネル、太陽電池などの産業分野での主力機器です。 ICP ― 誘導結合プラズマ ― の利点は、シースでのプラズマ電位の低下が少なく、低い電子温度で高密度のプラズマを生成できることで、 これが高いイオンフラックスと、ウェーハ表面でのイオン衝撃エネルギーの低減につながります。 また、複数巻きの誘導コイルを、複数個、空間的に分散して配置することで、より広い体積と処理面積をカバーする均一なプラズマを発生させることができます。 また、複数のコイルを使用することで、複雑で意図的に調整された電磁場の空間分布を生成することができ、プラズマを生成するための電磁波干渉パターンの興味深い特性を利用することが可能になります。 コイルの位置、コイルの構造、電流の方向など、いくつかのパラメータを変更することで、ICPプラズマの設計を最適化することができます。 これらは、VizGlowを使用して探求できる膨大な数のパラメトリック研究のほんの一部に過ぎません。

VizGlowは、以下のような大規模リアクターのシミュレーションを可能にします。 ここでは、 フラットパネルディスプレイやソーラーパネルなどの広い基板の処理に使用される、 2.03 m x 1.54 m x 0.805 m (長さx幅x高さ) の大きさのリアクターを扱います。 計算領域は、以下の領域に分かれています。

コイル
2つの渦巻き型励磁コイルを周波数13 MHz、電力1 kWで同相動作させ、電磁波を発生させる
コイルケージ
2つのコイルを収納したファラデーケージ
プラズマ
アルゴンプラズマが生成される初期圧力 約1 Torrの領域
コイルケージとプラズマの間にある、プラズマとコイルを隔離するための界面
基板
生成されたプラズマにさらされ、表面処理が行われる

結果

プラズマ場の詳細な洞察

ウェーハ表面で均一なイオンフラックスとラジカルフラックスを生成するためには、広い面積でのプラズマの均一性が不可欠です。 右の図は、コイルの直下で高密度のプラズマが発生し、電磁波が導入される誘電体窓の下で最も高くなっていることを示しています。

VizGlowは、高密度プラズマによる電磁波の遮蔽、すなわち電磁波表皮効果を捉えることができるのです。 さらに、電力供給は表皮深さ内の小さな領域でのみ行われます。 そして、活性ラジカルとイオンはこの生成領域から、通常はチャンバーの底に位置する基板へと、拡散していきます。

この基本的なICPの特性が、VizGlowによってよく表現されていることが示されました。

電磁場では、ポインティングベクトルが電磁波のエネルギー流束とその方向を表します。 エネルギーの流れを理解することは、プラズマ装置の設計や最適化に不可欠であるため、特に重要です。 VizGlowで得られた結果は、上図のような没入感のある環境で見ることができ、 これらの3次元ベクトルがコイルからどのようにエネルギーを運び、プラズマ場に堆積させるかを見ることができます。 ベクトルの色は、ベクトルの強さを示しています。このように3次元的に可視化することで、プラズマ場をより詳細に把握することができます。

🔗原文

論文

  • D. Levko, C. Shukla, R.R. Upadhyay, L.L. Raja, “Computational study of plasma dynamics and reactive chemistry in a low-pressure inductively coupled CF4/O2 plasma,” Journal of Vacuum Science & Technology B 39, 042202 (2021), https://doi.org/10.1116/6.0001028
  • T. Iwao, P.L.G. Ventzek, R.R. Upadhyay, L. L. Raja, H. Ueda, & K. Ishibashi, “Measurements and modeling of the impact of radical recombination on silicon nitride growth in microwave plasma assisted atomic layer deposition”, Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, vol. 36(1), pp. 03DB01, 2018, https://doi.org/10.1116/1.5003403
  • L. L. Raja, S. Mahadevan, P.L.G. Ventzek, and J. Yoshikawa, “Computational modeling study of the radial line slot antenna microwave plasma source with comparisons to experiments,” Journal of Vacuum Science & Technology A, vol. 31, no. 3, p. 031304, 2013, https://doi.org/10.1116/1.4798362