23370.甚高頻容性耦合等離子體中電磁效應的數(shù)值研究

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

2、姓名：韭堡如學科、專業(yè)：笠離王生物理學號：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DalianUniversityofTechnology大連理工大學博士學位論文摘要容性耦合等離子體被廣泛地應用于半導體工業(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、關注。然而當放電頻率較高時，尤其是在大面積反應腔室中，電磁效應(如駐波效應和趨膚效應)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，當波長與腔室尺寸相當時，駐波效應會對等離子體產(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?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進行系統(tǒng)的研究，以便于進一步優(yōu)化等離子體工藝過程。在本論文的第一章，詳細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，該模型與完整的麥克斯韋方程組進行耦合，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)得到的結果，研究了不同放電條件下電磁效應對等離子體的影響。結果表明：電磁效應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，電磁效應導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。當放電頻率一定時，電磁效應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，邊緣效應減弱。隨著電壓增加，趨膚效應取代駐波效應，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