JP2015105389A - Deposition simulation device and deposition simulation method - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、成膜シミュレーション装置及び成膜シミュレーション方法に関する。 The present disclosure relates to a film formation simulation apparatus and a film formation simulation method.
従来から、成膜雰囲気から供給される入射活性種束とその入射活性種温度及び基板温度を設定する第1手順と、前記設定した条件のもとに、シリコン−水素系の原子間力表現式を基礎とする分子動力学法を用いて、多数入射活性種の基板表面反応・堆積過程における原子1個ずつの動きをある時間ごとに追跡し、原子1個ずつの座標・速度を求め、この原子座標をもとに入射活性種の一部が形成する堆積膜厚、堆積膜厚中の全シリコン原子数、全水素原子数、堆積膜中の4配位シリコン原子数、水素1個と結合したシリコン原子数等を算出し、これより成膜速度、成膜物性を求める成膜シミュレーション方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, the incident active species bundle supplied from the film forming atmosphere, the first procedure for setting the incident active species temperature and the substrate temperature, and the silicon-hydrogen atomic force expression formula based on the set conditions. Using the molecular dynamics method based on the following, the movement of each atom in the substrate surface reaction / deposition process of many incident active species is traced at a certain time, and the coordinates / velocity of each atom is obtained. Deposited film thickness formed by part of incident active species based on atomic coordinates, total number of silicon atoms in the deposited film thickness, total number of hydrogen atoms, number of tetracoordinated silicon atoms in the deposited film, combined with one hydrogen A film-forming simulation method is known in which the number of silicon atoms and the like calculated are used to determine the film-forming speed and film-forming physical properties (see, for example, Patent Document 1).
また、モンテカルロ法を用いたスパッタ粒子の入射シミュレーションについて知られている(例えば、非特許文献1参照)。 Moreover, it is known about the incident simulation of the sputtered particle using the Monte Carlo method (for example, refer nonpatent literature 1).
ところで、非特許文献1に記載の入射シミュレーション法では、スパッタ粒子(成膜粒子)の平均自由行程は、その元になる粒子密度nと散乱断面積σの逆数(=1/(nσ))で指定する場合と、熱運動近似により、粒子の速度がマックスウェルボルツマン分布に従う場合は(=1/(√2nσ))で指定する場合がある。しかしながら、かかる2つの平均自由行程を場合分けで選択するのでは、成膜粒子の衝突散乱態様を精度良くシミュレーションすることができないことが判明した。 By the way, in the incident simulation method described in Non-Patent Document 1, the mean free path of sputtered particles (deposited particles) is the reciprocal number (= 1 / (nσ)) of the original particle density n and scattering cross section σ. In some cases, it may be designated as (= 1 / (√2nσ)) when the velocity of the particle follows the Maxwell Boltzmann distribution by thermal motion approximation. However, it has been found that the collision scattering mode of the film-forming particles cannot be accurately simulated by selecting the two mean free paths according to the case.
そこで、本開示は、成膜粒子の衝突散乱態様を精度良くシミュレーションすることができる成膜シミュレーション装置及び成膜シミュレーション方法の提供を目的とする。 Therefore, an object of the present disclosure is to provide a film formation simulation apparatus and a film formation simulation method that can accurately simulate the collision scattering mode of film formation particles.
上記目的を達成するため、本発明の一局面によれば、ソースから放出する成膜粒子が、雰囲気ガス中のガス粒子と衝突しながら、成膜対象物の表面に付着する成膜工程をシミュレーションする成膜シミュレーション装置であって、
前記成膜粒子が前記ガス粒子と衝突するまでの自由工程中の前記成膜粒子の飛行距離の平均値を設定する手段を含み、
前記飛行距離の平均値λは、nを前記ガス粒子の密度、σを前記成膜粒子の散乱断面積、εを前記ガス粒子のエネルギ、mを前記ガス粒子の質量、Eを前記成膜粒子のエネルギ、Mを前記成膜粒子の質量としたとき、数1の式(後述)に基づいて設定されることを特徴とする、成膜シミュレーション装置が提供される。
In order to achieve the above object, according to one aspect of the present invention, a film forming process in which film forming particles released from a source adhere to the surface of a film forming object while colliding with gas particles in an atmospheric gas is simulated. A film forming simulation apparatus for
Means for setting an average value of a flight distance of the film formation particles during a free process until the film formation particles collide with the gas particles;
The average value λ of the flight distance is such that n is the density of the gas particles, σ is the scattering cross section of the film forming particles, ε is the energy of the gas particles, m is the mass of the gas particles, and E is the film forming particles. A film-forming simulation apparatus is provided, which is set based on the equation (described later) when the energy and M are the mass of the film-forming particles.
本開示によれば、成膜粒子の衝突散乱態様を精度良くシミュレーションすることができる成膜シミュレーション装置及び成膜シミュレーション方法が得られる。 According to the present disclosure, it is possible to obtain a film formation simulation apparatus and a film formation simulation method that can accurately simulate the collision scattering state of film formation particles.
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、一実施例による成膜シミュレーション装置1の概略構成を示す図である。成膜シミュレーション装置1は、計算機(コンピューター)により実現されてよい。以下で説明する各種処理を計算機に実行させることで、成膜シミュレーションが実現される。各種処理は、成膜シミュレータ(ソフトウェア)10により規定されてよい。この場合、成膜シミュレータ10で規定される各種処理(指令)を計算機に実行させることで、成膜シミュレーションが実現される。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a film forming simulation apparatus 1 according to an embodiment. The film formation simulation apparatus 1 may be realized by a computer (computer). The film forming simulation is realized by causing the computer to execute various processes described below. Various processes may be defined by the film formation simulator (software) 10. In this case, the film formation simulation is realized by causing the computer to execute various processes (commands) defined by the
成膜シミュレータ10は、ソースから放出する成膜粒子(例えば、Cr、Crイオン)が、雰囲気ガス(例えば窒素)中のガス粒子と衝突しながら、成膜対象物の表面に付着する成膜工程を、モンテカルロ法を用いてシミュレーションする。かかるモンテカルロ法を用いたシミュレーション自体は、広く知られている。かかるモンテカルロ法を用いたシミュレーションによれば、ガスとの衝突からなる成膜粒子の輸送過程を追跡することによって、成膜対象物へ到達する成膜粒子の位置分布等が求められる。尚、以下では、イオンプレーティング成膜のシミュレーションについて説明するが、スパッタ粒子の入射シミュレーション等にも同様に適用可能である。
The
成膜シミュレータ10には、放出粒子数や計算オプション等のような標準入力が入力される。また、成膜シミュレータ10には、入力ファイル20のデータが入力される。例えば、入力ファイル20は、ソース情報・分布情報、ガス粒子の情報(粒子密度n等)、モデルの形状データ、電界データ、磁界データ等を含んでよい。尚、ソース情報・分布情報は、例えば、ソースの位置、形状、放出角分布、粒子(成膜粒子)のエネルギ、質量、電荷、ソース粒子の半径、弾性定数等であってよい。また、モデルの形状データは、有限要素法で用いられるメッシュデータであってよく、成膜対象物のモデル、成膜装置のモデル等を含んでよい。
The
成膜シミュレータ10は、解析結果(シミュレーション結果)の出力として、出力ファイル30を生成する。例えば、出力ファイル30は、成膜対象物の表面上に付着した成膜粒子の数(表面付着カウント)等を含んでよい。
The
図2は、一例による成膜装置100を示す斜視図である。図2では、内部が見えるように、成膜装置100の上面及び前面の図示が省略されている。
FIG. 2 is a perspective view showing a
成膜装置100は、中央部に、成膜対象物(図示せず)を支持するためのテーブル120が設けられる。テーブル120は、回転軸110まわりに回転するように構成される。成膜中、テーブル120は回転されてよい。テーブル120上には、成膜対象物が載置される脚部122が設けられる。成膜装置100は、側壁にソース102が設けられる。ソース102から放出する成膜粒子は、成膜装置100内の雰囲気ガス中のガス粒子と衝突しながら、成膜対象物の表面に付着される。ソース102を電子銃等で溶かすことで成膜粒子が成膜装置100内の空間内へ放出されてよい。
The
図3は、成膜装置100内に配置された一例による成膜対象物200を示す斜視図である。
FIG. 3 is a perspective view showing a
成膜対象物200は、例えば図3に示すように、リング状の部材であってよい。この場合、成膜対象物200は、例えばその側面に成膜粒子が付着されて成膜される。
The
図4は、成膜シミュレータ10によるシミュレーション方法の基本概念の説明図である。ここでは、図4に模式的に示すように、成膜粒子毎(1つずつ)に、単純な飛行と衝突散乱の繰り返しが発生するものとして計算が実行される。ある成膜粒子が壁(例えば成膜対象物200)に衝突すると、その場所を記録し、次の成膜粒子の計算が実行される。このようにして、全ての成膜粒子について、その輸送過程を追跡することによって、成膜対象物へ到達する成膜粒子の位置分布等が求められる。この際、成膜粒子のソースからの飛び出しや、その際の角度(放出角度)の分布、衝突散乱時の分布(方向の分布)については、理論に基づく確率分布関数が適用されてもよいし、ユーザにより定義された確率分布関数が適用されてもよい。
FIG. 4 is an explanatory diagram of a basic concept of a simulation method by the
成膜粒子は、成膜装置100内の空間(形状データ)の要素中を、平均自由行程(後に詳説)から確率的に定まる飛行距離を飛行した後、ガス粒子によって散乱される。その際、ガス粒子の成膜粒子に対する入射方向は等方的と仮定し、確率的に入射方向が決定されてよい。また、これら2粒子の重心系での散乱角の分布は入力ファイル20(確率分布関数)により指定されてもよい。また、衝突の際の反発係数についても入力ファイル20により指定されてもよい。
The film-forming particles fly through the elements of the space (shape data) in the film-forming
シミュレーションは、成膜装置100内に生成される電磁界中での影響が考慮されてもよい。即ち、電界での吸引力と磁界中での回転運動がシミュレーションされてもよい。この場合、電磁界解析ソフトウェア(例えばJMAG-Works)の結果を入力データとして取り込むことで、モデルに反映させることとしてよい。従って、モデルの形状データは、好ましくは、電磁界解析で用いるモデルと同一である。これにより、電磁界解析との連成が容易となる。この場合、成膜粒子は、成膜装置100内の空間(形状データ)の要素中を、電界・磁界を一定とした軌跡に沿って要素を出るまで飛行するか、または、上述の如く平均自由行程から確率的に定まる飛行距離を飛行し、ガス粒子によって散乱される。要素の境界に到達した成膜粒子は、隣の要素に移り、同様に、その要素の電界・磁界で決まる軌跡を飛行する。
In the simulation, an influence in an electromagnetic field generated in the
尚、実現象として、荷電粒子(成膜粒子)の飛行中は、成膜粒子の電荷のために他の成膜粒子が近づくことは出来ない。この電荷のシールド効果を模擬するために、荷電粒子の要素中の滞在時間に電荷を掛けた値をシミュレーション中に集積して空間電荷を算出し、これを追加した入力データに基づいて電界解析を例えばJMAG-Worksにより行い、その結果を用いてシミュレーションすることを繰り返すこととしてもよい。 As a real phenomenon, during the flight of charged particles (film formation particles), other film formation particles cannot approach due to the charge of the film formation particles. In order to simulate the shielding effect of this charge, the value obtained by multiplying the time spent in the element of the charged particle by the charge is accumulated in the simulation to calculate the space charge, and the electric field analysis is performed based on the added input data. For example, it is possible to repeat the simulation using JMAG-Works and the simulation using the result.
次に、成膜シミュレータ10によるシミュレーション方法の特徴部分について説明する。
Next, the characteristic part of the simulation method by the film-forming
図5は、平均自由行程の説明図である。図5に示すように、εをガス粒子のエネルギ、mをガス粒子の質量、vtをガス粒子の速度、Eを成膜粒子のエネルギ、Mを成膜粒子の質量、Viを成膜粒子の速度としたとき、
ガス粒子の運動エネルギεは、次式となる。
ε=1/2mvt 2 式(1)
また、成膜粒子の運動エネルギEは、次式となる。
E=1/2MVi 2 式(2)
成膜粒子の平均自由行程λは、以下の式で定められる。尚、平均自由行程λとは、概念的には、成膜粒子が次の衝突散乱までの間に飛行する距離の平均値である。
λ=粒子速度/衝突回数 式(3)
衝突回数は、単位時間当たりの成膜粒子のガス粒子との衝突回数である。従って、衝突回数は、次式となる。
衝突回数=nσ×(相対速度) 式(4)
ここで、nは、ガス粒子の密度であり、σは、散乱断面積であり、成膜粒子の断面積に相当する。尚、σには、成膜粒子がガス粒子と接触する態様の衝突を考慮して、ガス粒子の断面積が付加されてもよい。
相対速度は、次式となる。
相対速度=(Vi−vt) 式(5)
ここで、相対速度の平均を取るため、以下のように相対速度の自乗平均の平方を取る。
相対速度=√<(Vi−vt)2> 式(6)
ここで、<>は平均を表し、以下通りである。
<(Vi−vt)2>=<Vi>2−2<Vi><vt>+<vt>2 式(7)
<vt>は、ガス粒子の速度の平均値であるので、0である。よって、
<(Vi−vt)2>=<Vi>2+<vt>2 式(8)
となるので、式(4)、以下のように表せる。
衝突回数=nσ×√(<Vi>2+<vt>2) 式(9)
これを、式(3)に代入すると、
λ=粒子速度/{nσ×√(<Vi>2+<vt>2)} 式(10)
ここで、粒子速度を自乗平均の平方を取って、同様に√<Vi>2とすると、
λ=√<Vi>2/{nσ×√(<Vi>2+<vt>2)} 式(11)
式(11)に式(1)及び式(2)の関係を代入すると、λは、以下の通りである。
FIG. 5 is an explanatory diagram of the mean free path. As shown in FIG. 5, the energy of the gas particles epsilon, the mass of the m gas particles, v the speed of t the gas particles, the mass of the film forming particles energy, the M of deposited particles E, forming a V i When the velocity of the particles
The kinetic energy ε of gas particles is given by the following equation.
ε = 1/2 mv t 2 formula (1)
Further, the kinetic energy E of the film forming particles is expressed by the following equation.
E = 1 / 2MV i 2 Equation (2)
The average free path λ of the deposited particles is determined by the following equation. Note that the mean free path λ is conceptually an average value of the distance that the deposited particles fly before the next collision scattering.
λ = particle velocity / number of collisions (3)
The number of collisions is the number of collisions of film-forming particles with gas particles per unit time. Therefore, the number of collisions is as follows.
Number of collisions = nσ × (relative speed) Equation (4)
Here, n is the density of the gas particles, and σ is the scattering cross section, which corresponds to the cross section of the film forming particles. Note that the cross-sectional area of the gas particles may be added to σ in consideration of the collision in the form in which the film-forming particles are in contact with the gas particles.
The relative speed is as follows.
Relative speed = (V i −v t ) Equation (5)
Here, in order to take the average of the relative speed, the square of the mean square of the relative speed is taken as follows.
Relative velocity = √ <(V i −v t ) 2 > Equation (6)
Here, <> represents an average and is as follows.
<(V i -v t) 2 > = <V i> 2 -2 <V i><vt> + <v t> 2 Equation (7)
<V t > is 0 because it is the average value of the velocity of the gas particles. Therefore,
<(V i −v t ) 2 > = <V i > 2 + <v t > 2 formula (8)
Therefore, Expression (4) can be expressed as follows.
Number of collisions = nσ × √ (<V i > 2 + <v t > 2 ) Equation (9)
Substituting this into equation (3) gives
λ = particle velocity / {nσ × √ (<V i > 2 + <v t > 2 )} Equation (10)
Here, taking the square of the mean square of the particle velocity, and similarly assuming √ <V i > 2 ,
λ = √ <V i > 2 / {nσ × √ (<V i > 2 + <v t > 2 )} Equation (11)
Substituting the relations of Expressions (1) and (2) into Expression (11), λ is as follows.
図6は、エネルギを横軸として正規化したλ/nσを縦軸に示すグラフである。図6では、比較例として、熱運動近似による平均自由行程のグラフを曲線Pで示し、数1の式で表される平均自由行程のグラフを曲線Qで示す。 FIG. 6 is a graph showing λ / nσ normalized with energy on the horizontal axis on the vertical axis. In FIG. 6, as a comparative example, a graph of the mean free path based on the thermal motion approximation is shown by a curve P, and a chart of the mean free path expressed by the equation 1 is shown by a curve Q.
熱運動近似では、相対速度<Vr>=(8kT/πm’)1/2m’、換算質量=mM/(m+M)として、同種の粒子の場合は、平均自由行程λは、以下の通りである。 In the thermal motion approximation, when the relative velocity <V r > = (8 kT / πm ′) 1/2 m ′ and the reduced mass = mM / (m + M), in the case of the same kind of particles, the mean free path λ is as follows: It is.
以上説明したように本実施例によれば、数1の式のように一般化した平均自由行程λを設定することで、成膜粒子の衝突散乱態様を精度良くシミュレーションすることができる。これにより、成膜シミュレーションの精度を向上することができる。 As described above, according to the present embodiment, by setting the generalized mean free path λ as expressed by the equation (1), it is possible to accurately simulate the collision scattering mode of the film formation particles. Thereby, the precision of the film-forming simulation can be improved.
尚、数1の式を適用する際、入力データであるガス粒子の密度n(粒子密度n)は、任意の態様で設定されてもよいが、好ましくは、成膜装置100内の温度分布を考慮して設定される。このとき、ソース102付近の空間に係る温度を高く設定することで、成膜シミュレーションの精度を更に向上することができる。
Note that, when applying the formula (1), the density n (particle density n) of gas particles as input data may be set in an arbitrary manner, but preferably the temperature distribution in the
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and substitutions can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. Can be added.
1 成膜シミュレーション装置
10 成膜シミュレータ
20 入力ファイル
30 出力ファイル
100 成膜装置
102 ソース
120 テーブル
200 成膜対象物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
前記成膜粒子が前記ガス粒子と衝突するまでの自由工程中の前記成膜粒子の飛行距離の平均値を設定する手段を含み、
前記飛行距離の平均値λは、nを前記ガス粒子の密度、σを前記成膜粒子の散乱断面積、εを前記ガス粒子のエネルギ、mを前記ガス粒子の質量、Eを前記成膜粒子のエネルギ、Mを前記成膜粒子の質量としたとき、以下の式
Means for setting an average value of a flight distance of the film formation particles during a free process until the film formation particles collide with the gas particles;
The average value λ of the flight distance is such that n is the density of the gas particles, σ is the scattering cross section of the film forming particles, ε is the energy of the gas particles, m is the mass of the gas particles, and E is the film forming particles. When the energy of M and M is the mass of the film-forming particles,
前記成膜粒子が前記ガス粒子と衝突するまでの自由工程中の前記成膜粒子の飛行距離の平均値を設定する工程を含み、
前記飛行距離の平均値λは、nを前記ガス粒子の密度、σを前記成膜粒子の散乱断面積、εを前記ガス粒子のエネルギ、mを前記ガス粒子の質量、Eを前記成膜粒子のエネルギ、Mを前記成膜粒子の質量としたとき、以下の式
Setting the average value of the flight distance of the film-forming particles in a free process until the film-forming particles collide with the gas particles,
The average value λ of the flight distance is such that n is the density of the gas particles, σ is the scattering cross section of the film forming particles, ε is the energy of the gas particles, m is the mass of the gas particles, and E is the film forming particles. When the energy of M and M is the mass of the film-forming particles,
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