平面线圈感应耦合等离子体中射频电场穿透及功率沉积的理论研究

论文摘要

由于射频感应耦合放电可以在低气压下产生高密度的均匀等离子体,因此它在等离子体刻蚀和薄膜沉积等工艺中有着广泛地应用。本文针对平面线圈感应耦合等离子体（TCP）,采用动力学的方法,对射频电场和功率吸收在等离子体中的空间变化特性进行理论研究。 首先我们假设TCP放电室的高度L远大于其半径R,这样可以采用一维模型描来描述射频电场在等离子体中的穿透行为,即认为等离子体位于一个宽度为L的无限大的平板中,并忽略所有的物理量对径向空间变量的依赖性。利用线性Boltzmann方程和Maxwell方程组,并假设电子的能量分布为麦克斯韦分布,本文推导出射频电场及功率吸收的一般表示式,并分别研究了电子温度及放电气压对射频电场和功率吸收特性的影响,发现射频电场的趋肤深度约为2cm。其次,我们采用二维模型来进一步考虑径向变量对射频电场穿透行为的影响,特别是研究的射频线圈的径向位置的分布产生的影响。最后,我们通过建立电子能量分布函数的动力学方程,来自洽地研究射频电场与二维TCP等离子体的相互作用过程,即自洽地确定出射频电场和电子的能量分布函数。 此外,本文还采用流体动力学模型,研究了离子与中性粒子的电荷交换碰撞效应对直流偏压鞘层厚度的影响。对于平板鞘层,结果表明随着碰撞参数的增加,鞘层厚度明显地变小。根据数值结果,本文给出了碰撞情况下的Child-Langmuir定律的拟合式。此外,对于柱形和球形靶,还研究了靶的半径对鞘层厚度的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 等离子体源研究概况
• 1.1 背景
• 1.2 感应耦合等离子体装置结构及基本原理
• 2 以为平板线性感应耦合等离子体模拟
• 2.1 背景
• 2.2 理论模型
• 2.3 结果及讨论
• 3 二维线性及非线性动力学模型
• 3.1 背景
• 3.2 二维线性TCP理论模型及数值结果
• 3.2.1 二维线性TCP理论模型
• 3.2.2 二维线性TCP结果及分析
• 3.3 二维非线性TCP理论模型及结果分析
• 3.3.1 二维非线性TCP理论模型
• 3.3.2 二维非线性TCP数值结果及分析
• 4 一维负偏压碰撞鞘层的Child—Langmuir定律的拟和公式
• 4.1 背景
• 4.2 理论模型
• 4.3 数值结果和拟和公式
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
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