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感应耦合等离子体非线性效应的流体模拟研究

作　者: 司雪姣
导　师: 王友年
学　校: 大连理工大学
专　业: 等离子体物理
关键词: 感应耦合等离子体洛伦兹力非线性效应谐波效应模式跳变
分类号: O53
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

感应耦合等离子体具有低气压、高密度以及均匀性好等优点,在半导体制造工业中得到了广泛的应用。低气压低频率感应耦合等离子体源往往具有高效率、高均匀性和能在较大面积产生较高等离子体密度等优点。同时,感应耦合等离子体在低气压、低频率的时候往往会出现一些非线性效应,如谐波效应和模式转化效应。这些效应的出现往往会影响等离子体刻蚀等工艺的实际过程。因此,研究感应耦合等离子体的非线性效应显得十分重要。本文建立了模拟感应耦合等离子体中谐波效应的自洽模型,电磁场的求解采用时域有限差分(FDTD)的方法。对等离子体电流密度、等离子体电势、沉积功率、电子温度和电子密度等参量进行了研究。结果表明：在低频情况下,非线性洛伦兹力会影响等离子体电流密度和等离子体电势,产生谐波效应。同时当考虑洛伦兹力时,等离子体电流密度和等离子体电势的偶次谐波分量远大于奇次谐波分量。另外,模拟发现,当考虑洛伦兹力时,由于非线性洛伦兹力的作用,沉积功率密度略微降低,并且穿透深度略有增加。另外,当有洛伦兹力作用时,电子密度明显增加,而电子温度则基本与没有洛伦兹力的情况保持一致。本文还对感应耦合等离子体中模式转化效应进行了模拟研究,同样采用时域有限差分的方法建立自洽模型。模拟结果表明：随着线圈电流的增加,容性功率先增加后降低,感性功率一直增加,放电模式由E模式转化到H模式,在这一过程中伴随着电子密度的增加。另外本文还对放电模式转化过程中的不同电场分量以及等离子体温度和密度进行了分析,分析表明,随着线圈电流的增加,径向电场逐渐降低,轴向电场开始基本保持不变,而后突然降低,角向电场逐渐增加；电子温度的大小和形貌则随着不同场的作用而发生较大的变化；电子密度逐渐增大并且其峰值向介质窗附近移动。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-15
  1.1 等离子体刻蚀概况和发展趋势  9-10
  1.2 感应耦合等离子体源的装置特性和应用  10-11
  1.3 非线性效应的研究进展及存在的问题  11-14
    1.3.1 谐波效应的研究现状  11-12
    1.3.2 模式转化的研究现状  12-14
    1.3.3 非线性效应研究存在的问题  14
  1.4 本文的研究内容和安排  14-15
2 感应耦合等离子体谐波效应的模拟研究  15-33
  2.1 引言  15-16
  2.2 电磁模型  16-17
  2.3 流体模型  17-19
  2.4 流体力学方程的数值算法  19-20
  2.5 数值结果与讨论  20-31
    2.5.1 各次电流谐波在有无洛伦兹力项时结果比较  21-23
    2.5.2 不同频率各次电流谐波大小比较  23-25
    2.5.3 不同频率电势谐波比较  25-27
    2.5.4 不同频率等离子体参数  27-31
  2.6 小结  31-33
3 感应耦合Ar等离子体模式转化的流体力学模拟  33-44
  3.1 引言  33
  3.2 数值计算方法  33-34
  3.3 数值结果与讨论  34-43
  3.4 小结  43-44
结论  44-46
参考文献  46-50
附录A 电子动量方程的二阶微扰展开  50-52
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  52-53
致谢  53-54

感应耦合等离子体非线性效应的流体模拟研究

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