【摘要】：射頻感應耦合等離子體源(Radio Frequency Inductively Coupled Plasma Source,RF-ICP)能在低氣壓條件下產(chǎn)生高密度的等離子體,并且它的結構裝置比較簡單。目前ICP源被廣泛應用于半導體、微電子光伏產(chǎn)業(yè)、航天領域中,如薄膜沉積和刻蝕、離子注入(SOI)、摻雜(Doping)、等離子體去膠和清洗等。等離子體是一個復雜的物理和化學過程,其中輸運過程是一種重要的基本過程,它能引起中性粒子的加熱、擴散、對流和粘滯性等,進而使得等離子體的特征量發(fā)生變化,如電子密度、電子溫度、帶電粒子和中性粒子的密度分布等。針對ICP源裝置建立二維軸對稱流體力學模型來研究射頻感性Ar/O_2混合氣體放電等離子體以及耦合背景氣體對流場對等離子體的特性及其空間分布的影響。COMSOL軟件中等離子體模型包含電子方程、電磁場方程和重粒子連續(xù)性方程,并采用有限元算法求解方程得到帶電粒子和中性粒子空間分布特性及其他物理量。首先在純氧條件下驗證了理論模型的可靠性。在放電氣壓為30 mTorr,放電功率為300 w條件下,計算得到帶電粒子(e,O~-,O~+,O_2~+,Ar~+)和中性粒子(O,O*,O_2*,Ar*)的空間分布特性。通過對粒子方程以及粒子化學反應過程的分析,我們解釋了電子密度、電子溫度、帶電粒子(O~-,O~+,O_2~+,Ar~+)和中性粒子(O,O*,Ar*,O_2*)的空間分布特性。結果表明:電子密度呈拋物線型并均勻分布在體區(qū)內(nèi),電子溫度在線圈附近達到最大值,體區(qū)內(nèi)呈遞減趨勢。O~-空間形貌主要局域在體區(qū)內(nèi)一小片區(qū)域,其形貌與它的反應率相似。O~+,O_2~+主要呈現(xiàn)一個拋物線型的分布,其形貌特征有微小差別,在石英窗下方有部分塌縮,這是受O~-的空間分布影響。Ar~+數(shù)密度空間分布和電子密度相似,但是在中心區(qū)域有一個小尖端,這個尖端是由損失反應引起的,主要是O~-和Ar~+的碰撞損失反應,所以Ar~+受到O~-空間分布的影響。O和O*的空間形貌相似,也都是拋物線型。Ar*的形貌不完全是拋物線型,而是有向線圈靠攏的趨勢。O_2*的形貌在整個空間中比較分散,呈邊緣密度高,體區(qū)密度低的分布。理論模型計算得到的粒子空間分布特性符合我們的分析結果。我們還利用COMSOL研究了射頻感性Ar/O_2混合氣體放電等離子體耦合背景氣體對流場對等離子體特性及其空間分布的影響。通過改變?nèi)肟诹魉俚玫街行粤Ｗ?O,O_2,O*,O_2*,Ar*,Ar)的空間形貌隨流速的變化情況,電子密度和溫度隨入口流速的變化情況以及帶電粒子數(shù)密度峰值(O~-,O~+,O_2~+,Ar~+)隨入口流速的變化趨勢。主要研究結果有:(1)對中性粒子的影響,即入口流速為150 m/s時O,O*,O_2*和O_2數(shù)密度空間分布與純等離子體條件下對比在入口位置明顯向里塌縮,出口處有向外拉伸趨勢,而它們的數(shù)密度峰值也在增加,這主要是因為對流減少了O,O*,O_2*和O_2在邊界的損失。入口流速為150 m/s時Ar*數(shù)密度空間分布與純等離子體條件下對比沒有明顯的變化,而Ar*數(shù)密度峰值有稍許降低,對流對Ar*的影響很小,Ar*主要是通過電子和Ar的碰撞電離產(chǎn)生,又因為Ar的數(shù)密度峰值隨著入口流速增加而降低,所以Ar*數(shù)密度峰值隨著入口流速的增加而降低。Ar的空間分布比較特別,Ar數(shù)密度谷值隨著入口流速的變化逐漸向入口處局域,并且Ar數(shù)密度谷值下降,這主要是因為其他粒子數(shù)密度峰值之和隨著流速增加而增加并逐漸向入口方向移動,從而整體影響Ar的數(shù)密度空間分布和數(shù)密度谷值。(2)對電子密度和溫度的影響,即電子密度峰值隨著流速的增加是逐漸減小,由于Ar是主要的反應性氣體,占比90%,而電子與Ar的碰撞電離反應是產(chǎn)生電子的主要途徑,Ar的數(shù)密度峰值降低使得電子的數(shù)密度峰值減小。電子溫度峰值隨著入口流速的增加而增加,由于電離損耗的能量減小,而吸附反應增加,使得電子溫度上升。(3)對帶電粒子密度峰值的影響,即O~-的數(shù)密度峰值隨著入口流速的增加而逐漸增加,O~-主要通過電子與O_2和O_2*的碰撞解離附著反應產(chǎn)生,而O_2和O_2*的數(shù)密度峰值隨著入口流速的增加而增加,所以產(chǎn)生的O~-增加。O~+的數(shù)密度峰值隨入口流速的增加而逐漸降低,由于隨著流速增加O~-數(shù)密度峰值增加,更多的O~-與O~+反應生成O,因此O~+數(shù)密度峰值下降。O_2~+數(shù)密度峰值隨著入口流速的增加而增加,由于隨著入口流速的增加O_2數(shù)密度峰值增加,而O_2~+的主要通過電子與O_2的碰撞電離產(chǎn)生,所以隨著O_2增加,更多的O_2與電子反應產(chǎn)生更多的O_2~+,使得O_2~+數(shù)密度峰值增加。Ar~+數(shù)密度峰值隨著入口流速增加而降低,由于Ar~+主要通過電子與Ar的碰撞電離產(chǎn)生,而Ar的數(shù)密度峰值隨著入口流速的增加而降低,碰撞電離反應減少,產(chǎn)生的Ar~+就比較少。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O53
【圖文】：

ICP模擬腔室示意圖

圖 2.1 ICP 模擬腔室示意圖Fig 2.1 Schematic diagram of ICP chamber used in the simulation把模型腔室劃分為 4133 個網(wǎng)格，其中3252 個網(wǎng)格是三形單元，如圖 2.2 所示。線圈周圍的細網(wǎng)格模型是為了邊界層網(wǎng)格是為了捕捉靠近墻壁的空間電荷[44]。

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 王艷會;劉巍;張鈺如;王友年;;Fluid simulation of inductively coupled Ar/O_2 plasmas:Comparisons with experiment[J];Chinese Physics B;2015年09期

2 毛明;戴忠玲;王友年;;Two-Dimensional Self-Consistent Kinetic Model for Solenoidal Inductively Coupled Plasma[J];Plasma Science and Technology;2007年01期

3 戴忠玲;毛明;王友年;;等離子體刻蝕工藝的物理基礎[J];物理;2006年08期

本文編號：2798422