容性耦合等离子体击穿过程的数值模拟研究

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容性耦合等离子体(capacitively coupled plasma,CCP)已经广泛用于半导体产业中的刻蚀、沉积、清洗等领域。对于CCP或者其他等离子体源而言,气体击穿是其形成等离子体不可缺少的过程,研究该过程对于认识等离子体的形成、优化等离子体源、完善气体放电理论具有重要意义。然而,由于击穿时间极短,实验上难以对该过程进行诊断。因此,此前关于CCP击穿过程的研究工作极少。本文通过将二次电子发射模型、多种外电路模型、粒子数合并算法、多种物理量的诊断方法引入粒子云网格/蒙特卡洛碰撞(Particle-In-Cell/Monte-Carlo collision,PIC/MCC)模型中,以此研究了多种情况下的CCP击穿过程。各项研究内容及结果如下:(1)采用耦合了简化外电路的一维PIC/MCC模型,研究了双频驱动CCP中氩气的击穿过程。研究结果表明,整个击穿过程可分为三个阶段:前击穿阶段、击穿阶段、后击穿阶段。前击穿为电子雪崩阶段,由均匀电场驱动,电子密度在此阶段呈指数增长,电子诱导的二次电子发射对于电子雪崩至关重要。击穿阶段为鞘层形成阶段,不稳定鞘层使电子加热率达到峰值。鞘层的形成改变了CCP的电学特性,使CCP的极板电压大幅降低。后击穿阶段为稳定阶段,电离率逐渐下降,而边界的电子损失率则缓慢上升,二者逐渐接近。与此同时,等离子体的功率吸收也在此阶段逐渐下降并趋于稳定,二者使放电体系逐渐达到平衡。(2)采用耦合了简化外电路的一维PIC/MCC模型,研究了射频驱动CCP中CF4的击穿过程。研究结果表明,CF4击穿的前击穿阶段、击穿阶段、后击穿的初始阶段均表现为与氩气相似的击穿特性。在后击穿阶段的中后期,负离子密度的增加导致放电特性逐渐由电正性转变为电负性,电子加热模式也由α模式转变为漂移-双极模式。漂移-双极模式下的加热功率远高于α模式,导致了各类粒子产生率的进一步升高。复合率的缓慢增长使离子损失率逐渐增大,在经历数百微秒的演化后,离子损失率逐渐与产生率达到平衡,使整个放电进入稳态。(3)采用耦合了简化外电路的一维PIC/MCC模型,研究了射频驱动CCP中氩气的击穿条件。研究结果表明,在兆赫兹范围内,更高的电子诱导二次电子发射系数和更高的驱动频率均可显著扩大可击穿气压范围。在高频驱动下,极低气压区域存在多种异于传统放电的可维持和不可维持的放电类型。这些可维持反常放电的电子密度极低,电子密度空间分布与传统放电相反。(4)采用耦合了复杂外电路的一维PIC/MCC模型,研究了L型匹配回路下CCP的击穿过程。研究结果表明,由于储能器件的充放电特性,放电初期存在一个短暂的电信号稳定过程。整个前击穿阶段的放电体系可以看作是一个线性系统。击穿过程中,鞘层的形成瞬间提高了CCP的等效电容,改变了匹配电路中各类电信号的幅值。在后击穿阶段,逐渐变薄的鞘层使CCP的等效电容进一步增大,鞘层的振荡特性导致CCP电流出现高次谐波。通过调节匹配电路中的电容容值,可实现对CCP击穿演化特性的调制。
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