脉冲调制射频容性耦合反应性气体放电的机理研究

By adopting the hybrid method of fluid/Monte-Carlo simulation, coupled with the aerosol dynamics model, a nonlinear self-consistent simulation model involving multi physics and chemistry discharge processes will be established, to investigate the plasma transport, chemical reaction, as well as the nanoparticle nucleation, rapid growth and coagulation processes, in pulse modulated radio frequency capacitively coupled plasmas in reactive mixture gases. Besides the electricity source parameters, reactor boundary condition, species ratio in the mixture gas, and the gas flow and temperature, we will emphasize our research attention on how the pulse parameters, such as the duty cycle, modulation frequency, and pulse profile, impose their subtle and important influences on the electric field, plasma density, electron temperature and electron energy distribution, for the purpose of complete understanding of the mechanism of plasma transport, chemical reaction and nanoparticle growth. Aiming at various reactive gases in microelectronics industry, we will try lots of modeling to optimize the pulse and reactor inputs, and hope to give indications on how to control important precursors for the growth of nanostructured materials and how the plasma operating conditions can be tuned to benefit the growth process. We will try to obtain helpful theoretical evidences and optimized parameter guidance in the plasma chemical vapor deposition and nanostructured materials industry, with the support of this foundation.

本项目针对脉冲调制射频容性耦合反应性气体放电过程，采用流体力学和蒙特卡罗混合模拟方法，结合气态动力学模型，建立反应腔室中多物理、化学过程的非线性自洽耦合模型，研究等离子体中电子、各种正负离子、中性粒子的输运过程和化学反应过程，以及纳米颗粒的成核、生长、凝聚过程等。除反应腔室的电源参数、结构特点、混合气体组分比例、气体流场和温度等因素外，本项目将重点研究脉冲调制参数，包括占空比、调制频率、脉冲波形等，对放电腔室电场分布、等离子体密度、电子温度、电子能量分布的微观调控机理，以期能够对等离子体输运过程、化学反应过程、纳米颗粒生长过程有深刻理解。针对各种反应性气体，希望通过大量计算机模拟，优化脉冲参数与放电腔室参数的关系，达到能有效调控等离子体中的物种成分、纳米颗粒生长过程的目的，为提高等离子体薄膜沉积、纳米材料生产工艺水平提供必要的理论指导和参数选择依据。

本项目自主开发了流体/MC耦合气态动力学模型，研究了脉冲调制电负性混合气体的射频容性耦合放电特性，包括电子能量分布、等离子体输运和均匀性、化学反应过程以及纳米颗粒生长等等。从我们对SiH₄/Ar的混合模拟可以看到，由于反应性气体放电中激发、电离过程的电子能量阈值较低，导致在脉冲开启阶段，放电中心呈复杂的多温分布，而鞘层附近遵从麦克斯韦分布。脉冲关闭以后，体区和鞘层附近电子能量都呈双温麦克斯韦分布，高能尾消失。通过我们二维混合模拟还能看到，脉冲调制等离子体可以有效改善等离子体的径向均匀性，在关闭电源期间的带电粒子扩散过程有效抵消了电源开启阶段边缘效应所导致的不均匀性问题。另外，在下电极处增加介质层可以有效地代替调节等离子体外界参数例如气压、间距获得较均匀的等离子体。关于纳米颗粒生长的研究结果可以看到，在等离子体区作用于纳米颗粒上的离子拖拽里某种程度上超过电场力作用，导致空洞产生。同时，由于计算条件所限，现在所采用的脉冲周期与纳米颗粒以及前驱物的时间尺度相比还不够长，脉冲调制对纳米颗粒生长大小作用还不显著。我们开发的混合模型以及模拟结果对等离子体化学气相沉积和纳米材料生产有参考价值。