Исследование процессов в плазме высокочастотных емкостных разрядов низкого давления, возбуждаемых на одной и двух частотах (1103208), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Общий объем диссертации составляет 154страницы. Библиография включает 190 наименований на 15 страницах. Первая главапосвящена описанию используемых в данной работе моделей. Вторая глава описываетсоздание самосогласованного набора сечений рассеяния электронов на молекуле CHF3, атакже тестирование существующих наборов сечений для молекулы CF4.
Третья главапосвященарезультатамсамосогласованногомоделированияемкостногоразряда,возбуждаемого на одной частоте в аргоне. Рассматривается низкочастотный разряд 1,76 МГци высокочастотные разряды 27 МГц и 81 МГц. Четвертая глава описывает результатымоделирования емкостного разряда в аргоне, возбуждаемого на двух частотах.
Представленааналитическая теория формирования спектра ионов в ДЧ разряде, а результаты даннойтеории сравниваются с полуаналитическими и самосогласованными численными расчетами.Также представлены экспериментальные данные о параметрах плазмы в ДЧ разряде. Пятаяглава посвящена результатам МЧЯ МК моделирования высокочастотного разряда 81 МГц всмесях аргона с фторуглеродами.
Проведено сравнение экспериментальных и расчетныхданных о плотности радикалов CF2, H, F. Указаны особенности плазмохимических реакций врассматриваемых смесях. В заключении сформулированы основные результаты и выводыработы.Содержание работыВо введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированацель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимостьполученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.В обзоре литературы приведены классификация и описание основных численных ианалитических методов моделирования газовых разрядов. Представлен обзор работ,посвященных исследованию высокочастотного емкостного разряда, исследованию функциираспределения ионов по энергии в таких разрядах. Также описаны имеющиеся работы поисследованию процессов во фторуглеродной плазме.В первой главе описаны разработанные модели для изучения кинетики частицплазмы.В разделе 1.1 представлена модель вычисление ФРЭЭ в заданных полях методомМонте-Карло.
Данная модель используется как при построении нового самосогласованногонабора сечений рассеяния электрона на молекуле CHF3 (раздел 2.1), так и для тестированиясуществующих наборов сечений для Ar (раздел 2.1) и для молекулы CF4 (раздел 2.2) по7экспериментальным данным, полученным в дрейфовых трубках. В качестве входных данныхмодель принимает тестируемый или предложенный новый набор сечений рассеянияэлектрона на заданном газе.
В процессе моделирования траектории частиц рассчитываютсяисходя из уравнений Ньютона, тогда как столкновения трактуются статистически согласносечениям процессов с использованием случайных чисел для определения типа столкновения,угла рассеяния и направления вектора скорости электрона после рассеяния.Рассчитываются ФРЭЭ, дрейфовая скорость и средняя энергия электронов,коэффициенты продольной и поперечной диффузии, а также константы процессоввозбуждения и ионизации в зависимости от значения приведенного электрического поля E/N.В разделе 1.2 описана полуаналитическая модель движения ионов в приэлектродномслое в заданном электрическом поле с целью получения их функции распределения поэнергии на электроде.
Модель предназначена для быстрой оценки вида ФРИЭ на электроде, атакже для тестирования аналитических видов ФРИЭ (раздел 4.1). Модель включает в себяуравнения для электрического поля в слое, уравнение движения границы слоя и методМонте-Карло для учета столкновений иона с нейтральными частицами.
Входные параметрыдля данной модели могут быть получены из глобальной модели разряда или из имеющихсяэкспериментальных данных. В данной работе полуаналитическая модель использована в ОЧи ДЧ ВЧЕ разрядах для анализа движения ионов Ar+. При движении ионов учитываютсярезонансная перезарядка Ar+ и упругое рассеяние ионов Ar+ на атомах Ar.
Выражение дляэлектрического поля в слое записывается в виде: 2V ( x − s1 (t ) ) ,E ( x , t ) = sm20, x > s (t )1x < s1 (t )(1),где sm – максимальная ширина слоя, V – напряжение на электродах (в случае двухчастотногоразряда – сумма напряжений Vl и Vh на низкой и высокой частотах соответственно), s1(t) подвижная граница слоя, движение которой описывается формулой:в одночастотном случае s1(t ) =sm(1 + cos ωt )2и в двухчастотном случае s1 (t ) =sm2VlVhcos(ωl t ) +cos(ωh t ) 1 +Vl + Vh Vl + Vh(2),(3).Линейная пространственная зависимость электрического поля в слое соответствуетпредположению о постоянном профиле концентрации ионов в слое.
Такой случай можнорассматривать в качестве первого приближения, так как градиент концентрации ионов вобласти слоя гораздо меньше градиента концентрации ионов на границе плазмы и слоя.В разделе 1.3 представлена самосогласованная модель емкостного разряда на основе8метода Частиц в ячейке с Монте-Карло столкновениями. Это полная модель, включающаякинетическое рассмотрение движения электронов, ионов и быстрых нейтральных частиц,уравнение Пуассона для самосогласованного электрического поля, а также уравнения дляпространственного распределения концентраций нейтральных частиц в гидродинамическомприближении.
Данная модель позволяет проводить моделирование ВЧ разрядов из первыхпринципов. С помощью такого подхода исследована кинетика частиц и структураодночастотного разряда в аргоне (глава 3), двухчастотного разряда в аргоне (глава 4), а такжевысокочастотного разряда в смесях Ar/CHF3, Ar/CF4 (глава 5).На каждом временном шаге последовательно решались уравнения движения дляэлектронов, ионов и быстрых атомов, уравнения непрерывности для нейтральных компонент,а также уравнение Пуассона для определения самосогласованного электрического поля. Накаждом временном шаге каждая квазичастица может участвовать в столкновениях снейтральными частицами.В качестве входного параметра модели использована вложенная в разряд мощность вОЧ случае и полная вложенная мощность и напряжение на низкой частоте в ДЧ случае.Предполагается, что напряжение имеет синусоидальную форму V = V0 sin ω t в ОЧ случае ипредставляет сумму двух синусоид V = Vl sin ωl t + Vh sin ωh tв двухчастотном случае.Амплитуда напряжения на низкой частоте Vl задается или принимается равнойэкспериментальному значению.
Значение Vh (V0 в ОЧ случае) варьируется в процессевычислений таким образом, чтобы значение средней вложенной мощности было равнозаданному.В модели учтена вторичная эмиссия электронов (ВЭЭ) под действием потока ионов,быстрых атомов, метастабильных частиц и фотонов. Вероятность вылета электрона изэлектрода под ударом ионов и быстрых атомов γ зависит не только от поверхностиэлектрода, но и от энергии налетающей частицы ε . Поэтому в данной работе использованазависимость γот энергии ионов Ar+ и быстрых атомов Arfast, предложенная в [5].Зависимость γ (ε ) приведена на рисунке 1.В случае разряда на низкой частоте и в определенных режимах ДЧ разрядаэлектронный ток на электрод в данную фазу может быть равен максимальному полномутоку. Поэтому необходимо правильно учитывать процессы электрон-электронной эмиссии.
Вмодель включено упругое и неупругое отражение электронов от поверхности электродов, атакже рождение вторичных электронов под действием налетающего потока электронов. Вмоделируемых экспериментах электроды разряда были сделаны из алюминия. На рисунке 2приведены коэффициенты полного отражения σ9и неупругого отражения η дляалюминиевого электрода [6].Рис. 1. Коэффициент вторичной электроннойэмиссии в зависимостиот энергии налетающей частицыРис. 2. Коэффициенты электронэлектронной эмиссии(включая отражение электронов)Во второй главе рассмотрено рассеяние электронов на молекулах СF4 и CHF3.Процессы анизотропного травления диэлектрических материалов в ОЧ и ДЧ ВЧЕ разрядахидут во фторуглеродной или фторуглеводородной плазме.
Для моделирования такой плазмынеобходимы данные о сечениях рассеяния электронов на сложных молекулах фторуглеродови фторуглеводородов. Однако трудность построения набора сечений для таких молекулзаключается в отсутствии экспериментальных данных по низкопороговому рассеяниюэлектронов, в частности, по сечениям возбуждения колебательных уровней. Вследствиеэтого имеется некоторая неопределенность в выборе таких сечений при построении наборасечений из расчетов транспортных коэффициентов только в собственном газе.Раздел 2.1 посвящен созданию набора сечений рассеяния электронов на молекулеCHF3.
При создании самосогласованного набора сечений, необходимого для моделированияпроцессов в плазме, требуется, чтобы расчеты, проведенные с данным набором, правильноописывали экспериментальные данные по транспортным коэффициентам, как в собственномгазе, так и в различных смесях. Опубликованные ранее наборы для молекулы CHF3 [7, 8]были протестированы на транспортных коэффициентах только в чистом газе. В одном изнаборов [8] сечения диссоциации имеют значительные расхождения с экспериментальнымиданными.
Также всечениях диссоциацииэтогонабора отсутствуетрезонансноеприпороговое поведение, полученное в квантовомеханических расчетах в работе [7]. Именноприпороговые значения сечения главным образом определяют константу диссоциации висследуемом диапазоне полей.На основе имеющихся экспериментальных и теоретических данных по сечениямрассеяния электронов на молекуле CHF3, а также на основе экспериментальных транспортных10коэффициентов (дрейфовая скорость, коэффициент ионизации) в смесях CHF3 c Ar и чистомCHF3 с помощью модели, описанной в разделе 1.1, был построен новый самосогласованныйнабор сечений рассеяния электронов на молекуле CHF3. Данный набор показан на рисунке 3.Этот набор является физически обоснованным и описывает транспортные коэффициенты какв чистом CHF3, так и в различных смесях CHF3:Ar [A1].Рис. 3.
Набор сечений рассеяния электрона на молекуле CHF3В разделе 2.2 приводятся результаты сравнения существующих наборов сечения длямолекулы CF4 вместе с результатами расчетов транспортных коэффициентов прииспользовании данных наборов. Тетрафторметан активно используется в плазменныхреакторах травления. Поэтому для моделирования процессов в таких реакторах необходимовыбрать набор сечений для расчетов, а также понимать, к чему может привезтииспользование разных наборов.Для сравнения наборов сечений проведен расчет кинетических коэффициентов впостоянном приведенном электрическом поле (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
