基于質(zhì)點網(wǎng)格-蒙特卡洛算法的單頻與雙頻電容耦合氯氣放電分析.pdf

1、氯氣放電被廣泛應用于刻蝕半導體和金屬材料。在本課題中,我們首先開發(fā)并驗證了針對電容耦合氯氣放電的一維仿真程序oopd1。該仿真程序基于質(zhì)點網(wǎng)格/蒙特卡洛算法,并且包含了目前為止最為全面的反應組及相關碰撞截面參數(shù)。然后,該程序被用于研究典型的電容耦合氯氣放電。準確地說,我們在這里采用了一種混合方法來研究氯氣放電,該混合方法包括本研究中開發(fā)的質(zhì)點網(wǎng)格/蒙特卡洛仿真程序以及之前已經(jīng)開發(fā)的氯氣放電全局模型程序。我們對單頻放電和雙頻放電兩種模式都

2、進行了較為系統(tǒng)地研究。在研究單頻放電時,我們對兩種驅(qū)動方式(電流驅(qū)動和電壓驅(qū)動)都進行了研究。我們重點研究了控制參數(shù),包括氣體氣壓、驅(qū)動電流、電源頻率和二次電子發(fā)射系數(shù)等,對放電的影響。氣體氣壓的變化范圍為5到100 mTorr,驅(qū)動電流的變化范圍為20到80 A/m2,電源頻率的變化范圍為13.56到60 MHz,二次電子發(fā)射系數(shù)的變化范圍為0.0到0.4。我們對放電的關鍵參數(shù),包括離子濃度、電子加熱速率、等效電子溫度、電子能量概率函

3、數(shù)(EEPF)、Cl2+和Cl+離子的離子能量分布(IED)和離子角分布(IAD)等,隨控制參數(shù)的變化進行了詳細地研究。
　　隨著氣體氣壓從5 mTorr增加到100 mTorr,電子的加熱機制從隨機和歐姆加熱較為相當變?yōu)橛蓺W姆加熱主導,同時,在高氣壓時電子加熱速率超過離子加熱速率。主等離子體區(qū)的Cl2+和Cl‐離子濃度分布隨氣壓升高而變得平坦。鞘層區(qū)域中Cl+離子的產(chǎn)生主要是通過Cl2+離子與Cl原子之間的非共振電荷轉移,而在主

4、等離子體區(qū)中Cl+離子的產(chǎn)生則主要是通過電子撞擊Cl原子發(fā)生的電離反應。隨著驅(qū)動電流的增加,放電中心處的EEPF由Druyvesteyn分布先變?yōu)辂溈怂鬼f分布,繼而變?yōu)殡p麥克斯韋分布。該變化是由鞘層中增強的電子隨機加熱和主等離子體區(qū)中減弱的歐姆加熱造成的。在保證吸收功率不變的情況下提高電源頻率,等離子體中的位移電流增加,為保持功率不變,放電電壓下降。因此,鞘層平均電勢降低,導致了Cl2+和Cl+的IEDs均向低能方向移動而其IADs則均

5、向較大角度的區(qū)域延伸。二次電子發(fā)射對放電的影響只表現(xiàn)在對電子加熱速率和EEPF的影響上,其對IED、IAD和中性粒子的能量分布等參數(shù)幾乎沒有影響。
　　在研究單頻放電的基礎上,我們通過增加一個低頻電源從而使單頻放電變?yōu)閺碗s的雙頻放電模式。隨著低頻電流從0增加到4 A/m2,到達極板表面的Cl2+離子通量僅有少量增加,而到達極板表面的Cl2+離子的平均能量則隨低頻電流的增加幾乎線性增加,從而說明在一定參數(shù)范圍內(nèi)可以通過調(diào)節(jié)低頻電流來

6、獨立地控制Cl2+離子的通量和能量。然而,Cl+離子的通量和能量均隨低頻電流的增加而增加,這對于Cl+離子的通量和能量的獨立控制是不利的。此外,二次電子發(fā)射在雙頻放電中產(chǎn)生的影響要大于在單頻放電中產(chǎn)生的影響。這一現(xiàn)象是由雙頻放電中加入的低頻電源造成的。
　　雙頻放電中Cl2+和Cl+離子的IEDs和IADs在材料處理過程中非常重要。由于離子穿越鞘層到達極板表面的渡越時間低于低頻電源的周期,離子會對鞘層中的瞬時電場產(chǎn)生響應,從而導致