10084.射頻感性耦合氫等離子體放電模式轉(zhuǎn)換及回滯的模擬研究

1、博士學位論文射頻感性耦合氫等離子體放電模式轉(zhuǎn)換及回滯的模擬研究SimulationInvestigationofModeTransitionsandHysteresisinRadioFrequencyH2InductivelyCoupledPlasmas學號：11002034答辯日期：20161108大連理工大學摘要射頻感性耦合等離子體(InductivelyCoupledPlasma，ICP)源具有放電氣壓低，等離子體密度高，均勻性易

2、于控制，裝置簡單，無需外加直流磁場等優(yōu)點，因此它在半導體工藝和材料處理等領域得到了廣泛應用。眾所周知，ICP源中存在兩種放電模式：容性放電模式(E模式)和感性放電模式(H模式)。當調(diào)節(jié)外界放電參數(shù)(如線圈電流、輸入功率、匹配網(wǎng)絡中串聯(lián)電容、放電頻率及氣壓等)時，等離子體放電模式會發(fā)生轉(zhuǎn)換，等離子體參數(shù)(如等離子體密度、電子溫度等)以及放電回路電學參數(shù)(如線圈電流、電壓以及等效回路阻抗等)會發(fā)生突變，往返調(diào)節(jié)放電參數(shù)時，等離子體參數(shù)及放電

3、回路電學參數(shù)還會出現(xiàn)回滯現(xiàn)象。這種放電模式轉(zhuǎn)換及回滯行為會引起放電的不穩(wěn)定，對工業(yè)過程產(chǎn)生很大影響，因此研究ICP源的模式轉(zhuǎn)換及回滯行為，對控制和優(yōu)化等離子體工藝具有重要意義。因此，本論文的研究目的是：針對平面線圈型ICP源裝置，將二維流體力學模型、等效回路模型、電磁場模型及電子的MonteCarlo(MC)模型進行耦合，研究射頻感性耦合氫等離子體源的模式轉(zhuǎn)換及回滯過程中各等離子體參數(shù)以及等效回路電學參數(shù)的演化規(guī)律，分析放電模式轉(zhuǎn)換及回

4、滯現(xiàn)象的特點及內(nèi)在機制。在論文第一章中，首先概述了等離子體微細加工工藝，綜述了幾種典型的低溫等離子體源及其放電特點，詳細描述了ICP源的裝置結(jié)構(gòu)特點、激發(fā)原理以及存在的兩種放電模式。同時，系統(tǒng)地闡述了ICP源模式轉(zhuǎn)換及回滯的理論和實驗研究進展以及依然存在的一些問題。最后給出了本文的研究內(nèi)容和規(guī)劃。在第二章中，詳細介紹了含有外電路回路的流體模型。該模型是由等離子體的等效回路模塊、電磁場模塊及流體力學模塊耦合而成。等效回路模塊包括四部分：射

5、頻電流源、匹配網(wǎng)絡、容性支路和感性支路，用來計算等效回路的電學參數(shù)，如線圈電流、電壓和各電路元件阻抗等。電磁場模塊是通過求解麥克斯韋方程組來計算ICP源放電腔室內(nèi)射頻電磁場的空間分布。流體力學模塊是通過求解流體力學方程組來得到等離子體各宏觀狀態(tài)參數(shù)，如粒子密度、電子溫度等。此外，本章最后還介紹了模擬中所使用的數(shù)值方法。在第三章中，用上述含有外電路回路的流體模型，采用數(shù)值模擬的方法系統(tǒng)地研究了射頻感性耦合氫等離子體放電模式轉(zhuǎn)換以及回滯行為