射频感性耦合等离子体内背景气体对流过程对放电机制的影响

发布时间：2020-08-20 20:42

【摘要】：射频感应耦合等离子体源(Radio Frequency Inductively Coupled Plasma Source,RF-ICP)能在低气压条件下产生高密度的等离子体,并且它的结构装置比较简单。目前ICP源被广泛应用于半导体、微电子光伏产业、航天领域中,如薄膜沉积和刻蚀、离子注入(SOI)、掺杂(Doping)、等离子体去胶和清洗等。等离子体是一个复杂的物理和化学过程,其中输运过程是一种重要的基本过程,它能引起中性粒子的加热、扩散、对流和粘滞性等,进而使得等离子体的特征量发生变化,如电子密度、电子温度、带电粒子和中性粒子的密度分布等。针对ICP源装置建立二维轴对称流体力学模型来研究射频感性Ar/O_2混合气体放电等离子体以及耦合背景气体对流场对等离子体的特性及其空间分布的影响。COMSOL软件中等离子体模型包含电子方程、电磁场方程和重粒子连续性方程,并采用有限元算法求解方程得到带电粒子和中性粒子空间分布特性及其他物理量。首先在纯氧条件下验证了理论模型的可靠性。在放电气压为30 mTorr,放电功率为300 w条件下,计算得到带电粒子(e,O~-,O~+,O_2~+,Ar~+)和中性粒子(O,O*,O_2*,Ar*)的空间分布特性。通过对粒子方程以及粒子化学反应过程的分析,我们解释了电子密度、电子温度、带电粒子(O~-,O~+,O_2~+,Ar~+)和中性粒子(O,O*,Ar*,O_2*)的空间分布特性。结果表明:电子密度呈抛物线型并均匀分布在体区内,电子温度在线圈附近达到最大值,体区内呈递减趋势。O~-空间形貌主要局域在体区内一小片区域,其形貌与它的反应率相似。O~+,O_2~+主要呈现一个抛物线型的分布,其形貌特征有微小差别,在石英窗下方有部分塌缩,这是受O~-的空间分布影响。Ar~+数密度空间分布和电子密度相似,但是在中心区域有一个小尖端,这个尖端是由损失反应引起的,主要是O~-和Ar~+的碰撞损失反应,所以Ar~+受到O~-空间分布的影响。O和O*的空间形貌相似,也都是抛物线型。Ar*的形貌不完全是抛物线型,而是有向线圈靠拢的趋势。O_2*的形貌在整个空间中比较分散,呈边缘密度高,体区密度低的分布。理论模型计算得到的粒子空间分布特性符合我们的分析结果。我们还利用COMSOL研究了射频感性Ar/O_2混合气体放电等离子体耦合背景气体对流场对等离子体特性及其空间分布的影响。通过改变入口流速得到中性粒子(O,O_2,O*,O_2*,Ar*,Ar)的空间形貌随流速的变化情况,电子密度和温度随入口流速的变化情况以及带电粒子数密度峰值(O~-,O~+,O_2~+,Ar~+)随入口流速的变化趋势。主要研究结果有:(1)对中性粒子的影响,即入口流速为150 m/s时O,O*,O_2*和O_2数密度空间分布与纯等离子体条件下对比在入口位置明显向里塌缩,出口处有向外拉伸趋势,而它们的数密度峰值也在增加,这主要是因为对流减少了O,O*,O_2*和O_2在边界的损失。入口流速为150 m/s时Ar*数密度空间分布与纯等离子体条件下对比没有明显的变化,而Ar*数密度峰值有稍许降低,对流对Ar*的影响很小,Ar*主要是通过电子和Ar的碰撞电离产生,又因为Ar的数密度峰值随着入口流速增加而降低,所以Ar*数密度峰值随着入口流速的增加而降低。Ar的空间分布比较特别,Ar数密度谷值随着入口流速的变化逐渐向入口处局域,并且Ar数密度谷值下降,这主要是因为其他粒子数密度峰值之和随着流速增加而增加并逐渐向入口方向移动,从而整体影响Ar的数密度空间分布和数密度谷值。(2)对电子密度和温度的影响,即电子密度峰值随着流速的增加是逐渐减小,由于Ar是主要的反应性气体,占比90%,而电子与Ar的碰撞电离反应是产生电子的主要途径,Ar的数密度峰值降低使得电子的数密度峰值减小。电子温度峰值随着入口流速的增加而增加,由于电离损耗的能量减小,而吸附反应增加,使得电子温度上升。(3)对带电粒子密度峰值的影响,即O~-的数密度峰值随着入口流速的增加而逐渐增加,O~-主要通过电子与O_2和O_2*的碰撞解离附着反应产生,而O_2和O_2*的数密度峰值随着入口流速的增加而增加,所以产生的O~-增加。O~+的数密度峰值随入口流速的增加而逐渐降低,由于随着流速增加O~-数密度峰值增加,更多的O~-与O~+反应生成O,因此O~+数密度峰值下降。O_2~+数密度峰值随着入口流速的增加而增加,由于随着入口流速的增加O_2数密度峰值增加,而O_2~+的主要通过电子与O_2的碰撞电离产生,所以随着O_2增加,更多的O_2与电子反应产生更多的O_2~+,使得O_2~+数密度峰值增加。Ar~+数密度峰值随着入口流速增加而降低,由于Ar~+主要通过电子与Ar的碰撞电离产生,而Ar的数密度峰值随着入口流速的增加而降低,碰撞电离反应减少,产生的Ar~+就比较少。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O53
【图文】：

ICP模拟腔室示意图

示意图,示意图,边界层网,网格

图 2.1 ICP 模拟腔室示意图Fig 2.1 Schematic diagram of ICP chamber used in the simulation把模型腔室划分为 4133 个网格，其中3252 个网格是三形单元，如图 2.2 所示。线圈周围的细网格模型是为了边界层网格是为了捕捉靠近墙壁的空间电荷[44]。

【参考文献】