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(xué)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(xué)號(hào)：11002034答辯日期：20161108大連理工大學(xué)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(jiǎn)單，無需外加直流磁場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此它在半導(dǎo)體工藝和材料處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)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(dāng)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(luò)中串聯(lián)電容、放電頻率及氣壓等)時(shí)，等離子體放電模式會(huì)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(xué)參數(shù)(如線圈電流、電壓以及等效回路阻抗等)會(huì)發(fā)生突變，往返調(diào)節(jié)放電參數(shù)時(shí)，等離子體參數(shù)及放電

3、回路電學(xué)參數(shù)還會(huì)出現(xiàn)回滯現(xiàn)象。這種放電模式轉(zhuǎn)換及回滯行為會(huì)引起放電的不穩(wěn)定，對(duì)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(duì)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(duì)平面線圈型ICP源裝置，將二維流體力學(xué)模型、等效回路模型、電磁場(chǎng)模型及電子的MonteCarlo(MC)模型進(jìn)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(xué)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(diǎn)及內(nèi)在機(jī)制。在論文第一章中，首先概述了等離子體微細(xì)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(diǎn)，詳細(xì)描述了ICP源的裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、激發(fā)原理以及存在的兩種放電模式。同時(shí)，系統(tǒng)地闡述了ICP源模式轉(zhuǎn)換及回滯的理論和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展以及依然存在的一些問題。最后給出了本文的研究?jī)?nèi)容和規(guī)劃。在第二章中，詳細(xì)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(chǎng)模塊及流體力學(xué)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(luò)、容性支路和感性支路，用來計(jì)算等效回路的電學(xué)參數(shù)，如線圈電流、電壓和各電路元件阻抗等。電磁場(chǎng)模塊是通過求解麥克斯韋方程組來計(jì)算ICP源放電腔室內(nèi)射頻電磁場(chǎng)的空間分布。流體力學(xué)模塊是通過求解流體力學(xué)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