氢气甚高频与高频容性耦合放电等离子体特征的比较

开发了氢气甚高频(60MHz)容性耦合放电的PIC/MC模型。在模型中考虑了带电粒子(e,H+,H2+,H3+)与H2的21种碰撞反应过程,模拟了氢气甚高频放电射频电场和电势分布以及电子和氢离子(H+,H2+,H3+)粒子密度和平均能量分布,并与频率为13.56MHz的放电结果进行了比较。结果表明,相对于频率13.56MHz的放电,氢气甚高频放电等离子体电势增高,导致两电极附近的电场增强;另外,两鞘层厚度变窄并且电子和H3+离子平均能量减小,其总密度却增加。H3+离子为氢气甚高频放电空间的主要离子,H2+离子密度比H3+离子小约2～3个数量级。

容性耦合CF4/Ar等离子体放电特性研究

容性耦合CF4/Ar等离子体被广泛应用于半导体材料的刻蚀工艺中,本文采用流体力学模型,研究了气体比例对容性耦合CF4/Ar等离子体放电特性的影响。结果表明,随着CF4含量的增加,电子和Ar+离子的密度单调递减,而F-离子密度的变化趋势相反。在Ar含量较高时,电子主要是通过电子与背景气体(特别是Ar)之间的碰撞电离反应产生的,但随着CF4含量增加,F-离子与CF3基团的碰撞电荷分离反应逐渐成为其最主要的产生途径;电子主要通过附着反应生成负离子而损失,因此这也是F-离子最主要的产生机制。当CF4含量较低时,F-离子主要通过其与Ar+离子之间的复合反应损耗;随着CF4含量的增加,F-离子与CF3基团的碰撞反应成为其主要消耗方式。对于中性粒子CF3基团和F原子,它们的密度随CF4含量的增加而增加,但当CF4含量高于50%时,呈现相反的变化趋势,这种非单调的变化是由于两种粒子的主要产生反应的反应物浓度随气体比例的变化导致的。CF3基团和F原子主要是通过电荷转移反应和复合反应来产生和损耗的。

CF4射频容性耦合等离子体对硅橡胶表面双疏改性的研究

利用CF4射频容性耦合等离子体对硅橡胶进行表面双疏改性,用XPS技术分析了处理后硅橡胶表面成分变化,并利用接触角测量研究了表面疏水疏油改性效果。结果表明,CF4射频容性耦合等离子体通过等离子体表面氟化和剥离或刻蚀的相互竞争作用在硅橡胶表面引入大量硅氟基团和少量碳氟基团,两者协同作用使硅橡胶的疏水疏油性能得到大幅提高。

容性耦合等离子体腔室放电特性仿真研究

容性耦合等离子体射频放电广泛应用于IC制造中的薄膜沉积、刻蚀工艺中,等离子体中的电子密度和平均电子温度直接影响离化及激发反应速率,其在放电腔室中径向分布的均匀性严重影响刻蚀和薄膜沉积的均匀性。以某12寸腔体为研究对象,采用Comsol软件仿真研究了功率电极电压、腔室气压和极板间距对等离子体的电子密度和平均电子温度的影响规律。仿真研究发现:在研究的气压、电压、极板间距范围内,电子密度和平均电子温度随电压的增加而增加,其均匀性随电压的增加而变差;电子密度随气压的增加而增加,平均电子温度随气压的增加而降低,电子密度的均匀性随气压的增加而改善,电子温度的均匀性随气压的增加先变差再变好;电子密度随极板间距的增加而增加,平均电子温度随极板的增加而降低,电子密度和平均电子温度的均匀性随极板间距的增加而变好。研究结果对指导等离子体参与的IC工艺腔室结构设计及工艺控制具有重要意义。

射频容性耦合等离子体放电特性的光谱诊断

利用流体模型模拟和发射光谱实验诊断相结合的方法,研究了中等气压、中等功率下射频容性耦合等离子体的放电特性。理论上,采用基于流体模型的COMSOL软件仿真,建立一维等离子体放电模型,以Ar气为工作气体,研究了不同气压以及不同射频输入功率下等离子体电子温度和电子密度的分布规律。实验上,依据仿真模型设计制作了相同尺寸的密闭玻璃腔体和平板电极,采用13.56 MHz射频放电技术电离腔体内的工作气体Ar气,测量了不同气压、不同射频输入功率时放电等离子体的发射光谱。通过分析和选择适当的ArⅠ和ArⅡ的特征谱线,分别利用玻尔兹曼斜率法以及沙哈-玻尔兹曼方程计算了等离子体的电子温度与电子密度,并结合模拟仿真结果对光谱诊断结果进行了修正。结果表明:当气体压强为300~400Pa、输入功率为600~800 W时,等离子体近似服从玻尔兹曼分布,此时利用光谱法得到的等离子体参数与仿真结果相符合。仿真模拟与光谱实验诊断相结合的方法可初步诊断出中等气压下等离子体的放电参数,增加了玻尔兹曼斜率法和沙哈-玻尔兹曼方程在等离子体放电中的使用范围,扩大了光谱法在低电子密度容性耦合等离子体参数诊断的应用场合,为中等气压容性耦合等离子体在工业与军事上的应用研究提供了重要物理状态的分析手段。

容性耦合射频(CCRF)放电等离子体特性实验研究

利用自行研制的传感器和测量装置 ,通过对射频放电电压电流以及其相位角的测定 ,算出放电管的总阻抗 ,结合放电管的等效电路 ,对容性耦合射频 (CCRF)激励激光器放电特性进行研究 ,得出容性耦合射频激励激光器等离子体的伏安特性的曲线 ,以及等离子体电阻、容抗与气体压强、放电电流之间的实验曲线 ,在Godyak射频放电模型的基础上得出等离子体的电子密度 ,并同内置铜电极射频激励铜离子激光器阻抗特性进行了比较。

13.56 MHz/94.92 MHz双频容性耦合氩等离子体特性研究

利用高频频率(HF)为94.92MHz,低频频率(LF)为13.56MHz获得了氩等离子体.采用发射光谱法(OES)监测并诊断了氩等离子体的演化过程.基于费米-狄拉克模型计算了电子温度,用连续谱绝对强度法计算了电子密度.结果表明,电子温度随着低频功率的增大而升高,随着高频功率的增大而降低;电子温度随气压的升高而降低;电子密度随高频功率和低频功率的增大而增大;电子密度随气压的增大呈现出先增大后减小的趋势并且在60mTorr附近出现峰值.

低频频率和O_2含量对双频容性耦合等离子体Ar-O_2放电的影响

利用四极杆质谱仪研究了Ar/O2混合气体放电中低频频率和O2含量对离子能量分布和平均能量的影响。研究结果表明当低频频率增大时,离子能量逐渐由中频机制向高频机制变化,其能量分布的马鞍型双峰结构逐渐收缩,变得不明显。Ar+离子由于共振电荷交换的影响获得更多的低能离子,其平均能量比O2+离子的稍低。增大氧气含量,电离率增大,Ar+离子和O2+离子的高低能峰均向高能区移动,最大能量值逐渐右移。同等条件下的Ar+离子的平均能量均低于O2+离子。

三频容性耦合氮等离子体中N_(2)和N_(2)^(+)的转动温度和振动温度试验

通过光谱拟合方法研究三频容性耦合氮等离子体中高频(high frequency,HF)、中频(intermediate frequency,IF)和低频(low frequency,LF)功率对氮分子(N_(2))和氮分子离子(N_(2)^(+))的转动温度(T_(r))与振动温度(T v)的影响。试验结果表明:由于等离子体的粒子密度升高,导致粒子间碰撞加剧且温度升高;N_(2)和N_(2)^(+)的T_(v)随HF功率的增加而上升的趋势非常明显,而随IF或LF功率的增加则基本不变或略有下降。由此可知,HF功率对N_(2)和N_(2)^(+)的T r影响最大,即对等离子体的加热最为明显,而LF功率的增加对等离子体的加热作用较小,IF居于两者之间。因此,HF功率有利于提高N_(2)和N_(2)^(+)的化学活性并有利于其分解,而IF和LF功率影响不大,甚至能一定程度上降低N_(2)和N_(2)^(+)的化学活性。

不同频率驱动下容性耦合Ar等离子体随气压变化的放电特性

讨论了在驱动频率分别为13.56MHz、40.68MHz、94.92MHz和100MHz,功率为40W,气压由3.3~26.6Pa下的容性耦合Ar等离子体的放电特性。利用光谱相对强度法分别诊断了电子激发温度和电子密度。采用粒子模拟和蒙特卡罗碰撞模型(PIC/MCC),模拟了上述实验条件下中心处电子密度和电子能量概率分布(EEPF)。结果表明,在每一个驱动频率下,电子密度均随放电气压的增加而增加,而电子温度则随气压增加而降低。驱动频率为13.56MHz和40.68MHz的电子密度随气压变化趋势几乎一致,而94.92MHz和100MHz的电子温度则随气压变化趋势几乎一致。通过比较EEPF,电子温度随气压的增加有下降的趋势,与光谱诊断结果基本吻合。

容性耦合射频放电等离子体的仿真模拟与实验诊断研究

针对工业生产与军事应用上低气压、低温非热平衡等离子体的制备和实验诊断问题,采用COMSOL软件等离子体模块进行仿真模拟,建立容性耦合射频等离子体放电的一维流体模型,设定He气为工作气体,数值研究不同电压、不同气压条件下等离子体电子数密度和电子温度的轴向分布。搭建等离子体产生及诊断实验平台,根据均匀射频放电的等效回路计算得到电子密度ne与电子温度Te,将所得数据与流体模型仿真模拟相比较,得到了一致的结果。研究表明:当气体压强为100~250Pa时,极板间电子密度沿轴向先增大后减小,平均电子密度随驱动电压与输入功率的增加而增加;电子温度在极板中心处取得最小值,极板边缘存在两个峰值,平均电子温度仅是气压与腔体尺寸的函数,随驱动电压和功率的变化不明显,仅随气压的增大而减小。随着输入功率的增加,电子密度由逐渐上升转变为迅速上升,且在不同气压下这种电子密度的跃变出现在不同的电压幅值处,这标志着容性耦合放电中的α-γ模式转变。所得结论扩大了模拟仿真与实验快速无干扰诊断的应用范围,为进一步研究低温等离子体放电性质提供了技术支持。

容性耦合等离子体的均匀性研究

使用朗缪尔双探针诊断方法,研究放电极板配置和放电参数对13.56 MHz容性耦合等离子体的电子温度、电子密度和电子能量密度分布的影响。其中极板配置包括圆孔极板、极板数量和极板间距,放电参数包括放电功率和放电气压。实验结果表明:极板配置和放电参数不仅影响等离子体的电子温度、电子密度和电子能量密度,而且影响等离子分布的均匀性;两对放电极板和接地圆孔极板均提高了等离子体的均匀性,但降低了等离子体的电子密度和电子能量密度,其中两对放电极板可将电子密度的均匀性由77.9%提高至93.5%,而圆孔极板则可将电子密度的均匀性由77.9%提高至96.4%;高功率可获得高电子密度、高电子能量密度但低均匀性的等离子体。

基于均匀离子密度的容性耦合射频放电等离子体的实验诊断研究

容性耦合射频(CCRF)放电可用于制备大体积、均匀、低温非热平衡等离子体,已得到了国内外的广泛关注。针对CCRF放电过程中等离子体参量的诊断问题,本文提供了一种基于均匀离子密度的描述CCRF放电的等效回路模型(ECM),并根据等效阻抗原理引入能量平衡方程,对等离子体特征参量电子密度n_e和电子温度T_e进行了诊断,诊断结果与等离子体发射光谱诊断结果相一致。实验结果表明:在一般的CCRF放电过程中,放电电流与放电电压波形呈正弦曲线,高次谐波成分较少且总的谐波强度小于基波信号的11%,可以采用ECM描述等离子体放电状态。随着射频输入功率的增加,等离子体电子密度线性增加,但电子温度变化不明显,鞘层厚度逐渐减小,主等离子体区厚度增加;随着工作气体压强的升高,电子密度和电子温度均减小。对于较高的气压,放电在不同的输入功率下分为低功率下的α模式和高功率下的γ模式,这主要是极板表面的俄歇发射过程引起的。

容性耦合射频氩等离子体放电诊断研究及仿真模拟

针对中等气压、中等功率下射频容性耦合(CCRF)等离子体的放电特性,采用基于流体模型的COMSOL软件仿真,建立一维等离子体放电模型,以Ar为工作气体,研究同一气压时不同射频输入功率下等离子体电子温度和电子密度的分布规律。同时依据仿真模型设计制作相同尺寸的密闭玻璃腔体和平板电极,实验测量了不同射频输入功率时放电等离子体的有效电流电压及发射光谱,进而计算等离子体的电子温度及电子密度;利用玻耳兹曼双线测温法,得到光谱法下等离子体的电子温度及电子密度。结果表明:当气体压强为250Pa、输入功率为100～450W时,等离子体电压电流呈线性关系,电子密度随功率的增大而增大,而电子温度并未随功率的变化而有明显变化,其与功率无关。运用仿真模拟验证了实验的准确性,通过比较,三种方法所得的结果相近。通过结合等效回路法、光谱法和数值模拟仿真法初步诊断出中等气压下等离子体的放电参数,提出了结合三种方法作为实验研究的方法,使实验结果更具说服力,证明其方法的可靠性,也为进一步的等离子体特性研究提供依据。

容性耦合等离子体中电子加热过程及放电参数控制

容性耦合等离子体放电因在工业界有重要的应用价值而受到广泛关注.对于容性耦合等离子体放电的研究主要集中于对等离子体参数的控制,以实现更好的工艺效果,例如高深宽比刻蚀等.而关于等离子体参数的调控主要分为气体、腔室以及源这三个方面.改变这些外部参数,可以直接影响鞘层的动力学过程以及带电粒子的加热过程,进而实现对电子和离子能量、通量,等离子体均匀性,中性基团的密度等的控制,最终提高工艺质量和生产效率.本文梳理了近些年容性耦合等离子体研究的几个主要方向,尤其对等离子体放电中非常基础且重要的电子加热动力学问题进行了详尽的讨论,并重点介绍了一些通过外部放电参数调控容性耦合等离子体放电的手段和相关的研究热点.

放电参量对射频容性耦合等离子体电子密度的影响

为了提高射频容性耦合等离子体电子密度,研究放电参量对其的影响。通过采用朗缪双探针法诊断分析了放电气压、气体组分、射频功率以及掺Hg等放电参量对圆柱形射频容性耦合等离子体放电装置的电子密度的影响。结果表明:随放电气压的增加,电子密度呈现出先增大后减小的变化,在30Pa-550Pa下,电子密度随气压的增大而增加,在550Pa-650Pa下,电子密度随气压的增大而减小;往Ar中通入一定体积分数的He,有增加等离子体电子密度的影响,且当He的体积分数为15%时,电子密度最大;等离子体电子密度随射频功率的增大而增加;向Ar中掺少量的Hg,有明显增加等离子体电子密度的效果。

射频容性耦合等离子体阻抗影响因素研究

为了进一步探索射频容性耦合放电等离子体,本文建立了以容性耦合等离子体(CCP)为基础的板-板电极一维轴线简化仿真模型。仿真采用氦气为工作气体,使用约化电子传递属性并忽略重粒子对流,利用有限元算法,综合讨论了一定范围内放电参数(气体压强、输入功率、电极直径以及间隙长度)变化时,放电等离子体阻抗的变动情况,并根据仿真所得数据进行理论分析。结果表明:四种仿真条件下的等离子体均呈现容抗特性;当气压升高、放电间隙长度变大时,初期均有利于碰撞电离的发生,而后将成为限制因素,使得等离子体阻抗呈现先减小后升高的变化趋势;当电极直径增大、输入功率增加时,初期等离子体阻抗均呈下降趋势,但后续变化趋于平稳。

放电参数对不同频率驱动的容性耦合氩等离子体影响的研究

研究了不同放电参数(功率、气压、频率)下容性耦合氩等离子体中电子温度以及电子密度的变化规律.电子温度和电子密度的测量由双探针诊断获得,而功率电极自偏压则由示波器测量得到.实验结果表明,不同驱动频率下,电子温度随功率上升明显降低直至达到稳定值,而随着驱动频率和气压的上升,电子与周围粒子碰撞加剧,从而导致电子温度降低.低功率时,电子密度呈现出类抛物线增长,高功率时,电子密度则线性增加.随着气压的上升,电子密度呈现先上升后略有下降的趋势.此外,当驱动频率由13.56MHz增加到60MHz时,观察到电子密度与驱动频率的成二次方的依赖关系.自偏压的测量结果表明,自偏压随着放电功率增大而增大,而当气压和驱动频率上升时,自偏压反而降低.

射频激发容性耦合等离子体空间的不均匀性实验研究

使用高分辨的等离子体发射光谱系统(OES)研究了射频驱动的容性耦合Ar等离子体的空间光谱分布特性.实验结果表明,等离子体发射强度的空间分布对压强、频率和放电腔体的结构有很强的依赖关系.边界效应(如电报效应、趋肤效应等)使得等离子体发射光谱在电极边缘附近具有强的光谱强度,从而使得200 mm范围内等离子体的不均匀性高于100 mm范围内的情形;驻波效应的存在导致在反应器中心位置出现一个中等强度的谱峰;另外,由于射频波可以在介质板中传播,上极板覆盖有介质情况下的等离子体的不均匀性要高于无介质覆盖的情形.

气压对于低气压双频容性耦合Ar/O2等离子体放电特性影响的研究

研究了气压对双射频氩氧混合等离子体电子温度和电子密度的影响。在13.56MHz低频功率和94.92MHz高频功率固定为60W和氩氧气体比为1:9的情况下,利用发射光谱法分析了气压不同时氩氧混合等离子体的放电光谱中的特征谱线的变化规律。使用一维质点网格法(PIC-MC)静电模型计算了电子温度和电子密度。结果表明:电子温度随着气压的增加先降低后升高,与实验结果趋势相吻合;电子密度随着气压的增加先增大后减小。