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射频感性耦合等离子体放电模式转变机理的模拟研究，博士学位论文，说明书共37页，21781字。
中文摘要
射频感性耦合等离子体源（inductively coupled plasma source, ICP）具有低压高密、均匀性好、装置简单及性价比高等特点，在半导体制造和材料科学领域里得到了广泛地应用，如多晶硅、二氧化硅和金属材料的刻蚀，以及金属氧化物薄膜制备等。由于其特殊的放电激发机理，ICP 源存在两种放电模式，即：静电和电磁模式，也叫容性和感性模式。当调节射频源功率时，等离子体状态会在容性和感性模式之间发生转化，并伴随着等离子体状态参数（如等离子体密度、电子温度等）及放电回路电学参数（如线圈电压、电流和阻抗成份等）发生突变。这种放电模式转换过程及等离子体状态参数的突变行为将对等离子体刻蚀和薄膜制备工艺产生重要的影响。由此，系统地研究ICP 的放电模式跳变行为，对于控制和优化实际等离子体微细加工工艺具有重要的指导意义。
为此，本论文的目的是：针对平面线圈ICP 装置，建立放电腔室中多物理场非线性耦合的物理模型，并采用二维流体/Monte-Carlo(MC)混合模拟模型，研究氩气ICP 源模式跳变中等离子体内部动力学过程的演化行为，分析产生放电模式跳变和回滞现象的内在物理机制。
在第一章的绪论部分，首先简述等离子体微细加工技术概况和发展趋势，其次详细描述ICP 源的装置结构特点和等离子体激发原理，以及人们对ICP 中两种模式并存和模式跳变的认识过程。特别是详细地综述了他人对ICP 放电模式转换及回滞现象的理论和实验研究进展，并指出了存在的一些问题。最后是本文的研究计划和结构安排。
在第二章，首先基于局域密度近似模型和Maxwell 方程组，给出了在容性和感性两种放电模式共存情况下射频电磁场在 ICP 放电腔室中的二维解析分布函数。其次，将这种射频电磁场与等离子体的流体动力学方程进行非线性耦合，并采用数值模拟方法系统地研究了放电模式的跳变行为，如通过调节线圈电流或功率，分析等离子体密度、电子温度等状态参量的演化规律，尤其是放电模式时的突变行为。结果表明：随着线圈电流的增加，由容性耦合模式主导的放电转变为由感性耦合模式主导的放电，且等离子体密度和吸收功率陡然增加。此外，还研究了在容性耦合模式和感性耦合模式转化过程中等离子体密度、电子温度、射频电磁场的二维空间分布特征，以及考察了吸收功率中感性和容性部分随放电模式转化的变化关系。
在第三章，本文采用二维流体/MC 混合模拟模型，进一步考察低气压下ICP 源中电子的非局域性动力学行为对放电模式转换的影响。在该混合模型中，等离子体的宏观状态行为（扩散及流动）由流体力学确定，而电子与中性粒子的碰撞细节、反应系数、电子的能量分布及电子的动力学温度等由MC 方法给出。由于引进了电子的非局域性特征，模式跳变行为随气压呈现出不同的演化规律。具体表现为：在气压为20 mTorr 时，E
到H 模式跳变过程较为连续，没有明显分界点；当气压升高为50 mTorr 时，跳变发生得更为迅速些，趋向于实验中所观察的不连续跳变的现象；而当气压为100 mTorr 时，模式跳变过程依然很明显，只是跳变发生的线圈电流范围变宽。其次还观察了不同气压时电子密度、温度及电势的空间分布随模式转化的演化情况，并分析了电子的非局域特征及随机和欧姆加热对等离子体参数空间分布的影响机制。
另外，我们还在较宽的气压范围内考察了容性和感性放电模式下电子能量分布函数（EEDF）。由于电子受到结构迥异射频电场的作用及不同的等离子体内部能量损耗机制，EEDF 在两种模式放电下的分布特征差异较大。具体表现为：当气压较低时，E 模式下EEDF有显著的低能电子峰，推断是因为在电子与氩原子弹性碰撞截面中存在Ramsauer 效应，由于双极扩散势垒的势垒，电子无法得到介质窗附近射频鞘层加速导致。当气压为100mTorr 时， H 模式下EEDF 分布中低能电子数目增多，且高能尾相对于E 模式衰减的更厉害，这是由于感性等离子体处于较高的电离度，使得EEDF 曲线中大于非弹性碰撞阈值能的高能电子损耗更多所造成。混合模型所给出的不同气压下EEDF 随模式转化的演化情况与实验测量结果在定性上基本吻合。
同时，我们还观察了模式转化过程中电子能量几率分布函数（EEPF）随线圈电流的演化趋势。低气压时，随着放电模式的转化，EEPF 在弹性能量范围内的分布由双温Maxwellian 向单温Maxwellian 形式过渡；另外，由于非弹性碰撞过程，在两个模式下EEPF 均在激发阈值能量处出现拐点。通过与实验结果的比较，指出高气压时电子之间的库仑碰是模式转化过程中EEPF 分布形式由Druyvesteyn 向Maxwellian 转变的原因。
在第四章，采用了混合模拟方法，进一步研究了氩的亚稳态及多步电离效应对放电模式跳变过程的影响，以及亚稳态原子的空间分布。结果表明：1）在放电模式转换过程中，亚稳态效应对电子密度的影响不大，而电子温度在H 模式下随功率增加，考虑亚稳态后呈现下降趋势；2）在较宽气压范围内亚稳态密度随模式转化均呈现先增加后减小的趋势，与他人的实验结果基本吻合。在特定气压下，随功率增加亚稳态原子的空间
分布逐渐局域化在介质窗附近的强场加热区域；3）在容性耦合放电模式下，由于亚稳态原子的密度较低，电子能量分布函数基本不受亚稳态原子存在的影响，而感性耦合放电模式下，较低的多步电离能量阈值使得电子的能量分布函数的峰值向低能端明显移我们还区分了不同模式下整个放电空间内的电子能量分布函数，并剖析了其对应的等离子体内部动力学过程；考虑了氩原子的多步电离后，发现不同模式下电子能量函数
的基本空间结构没有发生变化，这说明亚稳态效应不是回滞现象产生的决定性因素。数值结果还显示：等离子体密度随沉积功率增加呈线性演化趋势，没有看到多步电离产生的非线性能量耗散行为。
关键词：射频感性耦合等离子体；模式跳变；回滞；流体模型；混合模型；亚稳态;多步电离