23370.甚高頻容性耦合等離子體中電磁效應(yīng)的數(shù)值研究

1、博士學(xué)位論文甚高頻容性耦合等離子體中電磁效應(yīng)的數(shù)值研究NumericalinvestigationoftheelectromagneticeffectsinveryhighfrequencycapacitivelycoupledplasmasNumeriekestudievandeelektromagnetischeeffectenincapacitiefgekoppeldeplasma’Sbijzeerhogefrequentie作者

2、姓名：韭堡如學(xué)科、專業(yè)：笠離王生物理學(xué)號：10902040△墜翌皇坐i金旦Qg壘金!主蘭塾援完成日期：20130930大連理工大學(xué)DalianUniversityofTechnology大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文摘要容性耦合等離子體被廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)中，如薄膜沉積、材料刻蝕以及表面處理等。眾所周知，在容性耦合等離子體放電中，較高的頻率能夠產(chǎn)生較高密度的等離子體和較低能量的離子。因此近年來，甚高頻容性耦合等離子體源受到人們越來越廣泛的

3、關(guān)注。然而當(dāng)放電頻率較高時，尤其是在大面積反應(yīng)腔室中，電磁效應(yīng)(如駐波效應(yīng)和趨膚效應(yīng))會顯著地影響放電過程，并引起等離子體的不均勻性。由于電磁波的波長隨著頻率的增加而減小，當(dāng)波長與腔室尺寸相當(dāng)時，駐波效應(yīng)會對等離子體產(chǎn)生顯著的影響，使得等離子體密度的最大值出現(xiàn)在放電中心處。另一方面，等離子體密度隨著放電的頻率而增加。當(dāng)?shù)入x子體密度較高時，射頻波在等離子體中的趨膚深度將小于等離子體的厚度。此時，電磁波只能在等離子體表面?zhèn)鞑?，因此趨膚效應(yīng)會

4、使得等離子體密度的最大值出現(xiàn)在徑向邊緣處。由此可見，電磁效應(yīng)會顯著影響刻蝕和沉積過程的均勻性，因而需要對電磁效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，以便于進(jìn)一步優(yōu)化等離子體工藝過程。在本論文的第一章，詳細(xì)回顧了甚高頻容性耦合等離子體源的研究背景、優(yōu)勢，以及研究過程中所面臨的挑戰(zhàn)。在第二章中，首先介紹了在數(shù)值模擬過程中所使用的二維等離子體流體力學(xué)模型。各種帶電粒子和中性粒子的密度由連續(xù)性方程來描述，其中電子通量由漂移擴(kuò)散近似方法來確定，而離子通量則通過求解完

5、整的動量平衡方程來獲得。在流體模型中，假設(shè)離子的溫度與室溫相等，因此僅需要求解電子的能量方程。為了考慮電磁效應(yīng)，該模型與完整的麥克斯韋方程組進(jìn)行耦合，以便確定出等離子體中電磁場的瞬時空間分布。此外，本章還介紹了所涉及到的邊界條件以及模擬方法。在第三章中，針對氬氣放電，通過比較由靜電模型(僅求解泊松方程)和電磁模型(求解麥克斯韋方程組)得到的結(jié)果，研究了不同放電條件下電磁效應(yīng)對等離子體的影響。結(jié)果表明：電磁效應(yīng)對等離子體特性有著重要影響，

6、尤其是在甚高頻放電情況下，電磁效應(yīng)導(dǎo)致等離子體密度顯著地上升，電離率也呈現(xiàn)出不同的空間分布形式。當(dāng)放電頻率一定時，電磁效應(yīng)隨著電壓的增加而減小。隨著氣壓上升，由電磁模型得到的等離子體密度的最大值首先出現(xiàn)在徑向邊緣處，隨后逐漸變得均勻，最后密度的最大值出現(xiàn)在放電中心處。此外，隨著放電頻率和氣壓的增加，邊緣效應(yīng)減弱。隨著電壓增加，趨膚效應(yīng)取代駐波效應(yīng)，成為影響等離子體分布的最主要的因素。在第四章中，針對H2放電等離子體，重點考察了兩個同頻率