低气压射频容性氩气放电中电子加热机理的流体模拟

发布时间：2020-08-25 14:22

【摘要】：容性耦合射频放电被广泛地应用于许多工业领域,如等离子体清洗和薄膜沉积等。目前,等离子体是微电子制造业不可或缺的关键技术。在实际应用中,刻蚀与沉积的效率和质量在很大程度上取决于等离子体的特性和等离子体的工作参数。等离子体特征是由外部参数决定的,如驱动功率、压强、位形以及工作气体特性等。在空间和时间尺度上都展现了丰富的非线性物理化学现象,给深入了解放电中的物理机理带来了很大的困难。数值模拟研究可以在等离子体源的设计上提供帮助,使其可以更有效、更经济地应用于工业中。本文主要针对实际中真实位形的容性耦合射频放电过程中复杂的物理化学过程进行模拟,旨在开发一维流体模型,研究容性耦合射频放电参数对等离子体特性,特别是电子加热机理的影响。在本文的第1章中,我们首先简要的回顾了低气压容性耦合射频氩气放电研究的背景、最新进展、面临的挑战以及面临的问题。在第2章里,基于漂移扩散近似,我们详细地介绍了具有对称几何位形的氩气中低气压容性射频放电的一维流体模型。这一模型并且。对如何选择和确定参数做了总结,也对模拟的数值方法给出了介绍。在第3章中,基于氩容性耦合射频放电的一维流体模拟结果,重点研究了驱动频率变化对等离子体参数的影响,如密度、电子加热和低压电子温度等。模拟结果如下:通过改变驱动频率分别为3.39、6.78、13.56和27.12MHz,比较了周期平均的电场、电子温度、电子密度和电势。讨论了驱动频率分布为3.39、6.78、13.56和27.12MHz时周期平均的电子压强冷却、欧姆加热和电子能量损失。结果表明,电子密度和达到收敛所需的模拟时间随驱动频率的增加而增加。然后,在不同时刻对电子的净吸收功率进行了分析,并将其分成欧姆加热、传导热通量以及由于非弹性碰撞引起的能量耗散等过程。在早期,由于欧姆加热,净吸收功率在鞘层边缘处呈现局部最大值。在接下来的时间中,净吸收功率在中心处达到峰值。这是因为,一旦电子密度达到足够高的值,对流和能量耗散起着显著的作用。在第4章中,重点研究了中性气体压强对低气压容性耦合射频氩气放电中等离子体特性的影响。结果表明,强电场加速了鞘层中的电子,从而导致了更多的欧姆加热。而强电场则可以是由于气体压力增大时在体等离子体区中的弱电子对流引起的。因此,在鞘层和体等离子体区之间的边界中,存在着耗散的峰值。并且净功率吸收的峰值在体等离子体区域中增长。在第5章中,随着增加驱动频率,得到了鞘层内强调制的电场。因此,电子在鞘层中被加速到高能状态,并在体等离子体区中产生电离,这最终导致电子密度的增加和鞘层宽度的减小。最后,本学位论文的主要结果和未来工作展望给在了第6章。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O461

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