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1、双频电容耦合等离子体物理特性的一维双频电容耦合等离子体物理特性的一维流体力学流体力学/Monte-Carlo混合模拟混合模拟王帅，徐翔，戴忠玲，王友年王帅，徐翔，戴忠玲，王友年大连理工大学物理与光电工程学院，三束材料改性国家重点实验室, 大连，116024摘要摘要本文采用一本文采用一维混合模型，即在等离子体区和鞘混合模型，即在等离子体区和鞘层区域分区域分别采用了流体力学方法采用了流体力学方法和蒙特卡洛方法，模和蒙特卡洛方法，模拟了双了双频电容耦合（容耦合（CCP）氩等离子体的物理特性和鞘等离子体的物理特性和鞘层特性。主要是研究高低特性。主要是研究高低频电源的参数（两个源的参数（两个电源的射源的
2、射频电压的幅的幅值和和频率）以率）以及放及放电气气压对等离子体密度、等离子体密度、电子温度、鞘子温度、鞘层电位降和离子能量分布等物理量位降和离子能量分布等物理量的影响，并着重的影响，并着重对轰击到极板上的离子能量分布到极板上的离子能量分布进行了行了讨论。结果果显示，由于示，由于受到高、低受到高、低频电源的共同作用，双源的共同作用，双频CCP的离子能量分布不同于的离子能量分布不同于传统单频CCP的双峰的双峰结构，而是呈构，而是呈现出多峰出多峰结构。随着放构。随着放电气气压的减小，离子在鞘的减小，离子在鞘层中的碰中的碰撞减少，撞减少，导致致轰击到基片上的离子能量到基片上的离子能量显著增加，且低能峰
3、逐著增加，且低能峰逐渐向能量向能量较高的高的方向移方向移动。两个射。两个射频电源的参数也源的参数也对离子能量分布有着离子能量分布有着显著的影响。减小低著的影响。减小低频源的源的频率，离子穿越鞘率，离子穿越鞘层的的时间相相对低低频周期周期变短，使得更多的离子可以有效短，使得更多的离子可以有效地被低地被低频电源加速，源加速，轰击到基板上的离子能量到基板上的离子能量显著增大。随着高著增大。随着高频源源频率的增率的增加，等离子体的鞘加，等离子体的鞘层厚度减小，离子在穿越鞘厚度减小，离子在穿越鞘层的的过程中碰撞次数减少，因此程中碰撞次数减少，因此在高在高频情况下，离子的碰撞效情况下，离子的碰撞效应减小。
4、通减小。通过增大施加在低增大施加在低频源上的源上的电压幅幅值可可以增加鞘以增加鞘层电位降，离子在穿越鞘位降，离子在穿越鞘层的的过程中可以程中可以获得更多的能量，从而使得得更多的能量，从而使得轰击到极板上的离子能量到极板上的离子能量显著增加。著增加。双频电容耦合等离子体双频电容耦合等离子体 DF-CCP大面大面积均匀等离子体均匀等离子体等离子体密度，离子能量分离控等离子体密度，离子能量分离控制制放放电参数可参数可调节范范围广广+SheathCollisionalSheathBulk PlasmaSubstrate电子方程电子方程:离子方程离子方程:电场方程电场方程:一维模型一维模型边界条件边界条
5、件电子电子 :离子离子 :离子采用离子采用线性外推线性外推 射频电场射频电场 :放电初始条件放电初始条件 压强，频率，射频电压压强，频率，射频电压等离子体区等离子体区 Fluid 计算速度快计算速度快 得出密度，电子温度，电场得出密度，电子温度，电场鞘层区鞘层区 PIC-MC 离子能量分布离子能量分布 离子角度分布离子角度分布各理论模型的特点各理论模型的特点鞘鞘层模型模型 大量简化，不自洽大量简化，不自洽流体模型流体模型 Fluid 对等离子体区计算好对等离子体区计算好 计算速度快计算速度快 离子能量分布计算不准确离子能量分布计算不准确粒子模粒子模拟 PIC-MC 对等离子体区鞘层区计算好对等
6、离子体区鞘层区计算好 受计算粒子个数限制受计算粒子个数限制 计算速度慢计算速度慢混合模型混合模型鞘层电位降鞘层电位降高，低高，低频共同共同调制制大震大震荡由低由低频源源调制制小震小震荡由高由高频源源调制制可以看出不同于传统的单频可以看出不同于传统的单频CCP，双频，双频CCP呈现出多峰结构，其中大的周期代表低呈现出多峰结构，其中大的周期代表低频源的周期，小的周期代表高频源的周期，在一个大的周期内出现的小的峰值的个数频源的周期，小的周期代表高频源的周期，在一个大的周期内出现的小的峰值的个数为两个射频源的频率比为两个射频源的频率比。不同放电气压下的离子能量分布不同放电气压下的离子能量分布低气压低气
7、压高能峰明高能峰明显显高气压高气压高能峰消高能峰消失失高能离子随气压升高高能离子随气压升高逐渐减少逐渐减少在低气压下，由于碰撞相对较少，到达极板的离子具有较高的能量，随着气压的逐在低气压下，由于碰撞相对较少，到达极板的离子具有较高的能量，随着气压的逐渐增加，高能峰逐渐减弱，当气压增加到渐增加，高能峰逐渐减弱，当气压增加到200mTorr时，高能峰消失。这是由于随时，高能峰消失。这是由于随着气压的增加，离子与中性气体间的碰撞增加，离子在碰撞中失去能量，导致到达着气压的增加，离子与中性气体间的碰撞增加，离子在碰撞中失去能量，导致到达极板处的高能离子显著减少极板处的高能离子显著减少。 不同气压下的离
8、子角度分布不同气压下的离子角度分布入射角度小入射角度小碰撞增多碰撞增多角度增加角度增加能量减小能量减小角度增加角度增加大部分离子以小于大部分离子以小于4度的入射角轰击到极板上。随着气压的升高，离子角度分布在小角度的入射角轰击到极板上。随着气压的升高，离子角度分布在小角度区域的峰值逐渐降低，小角度入射的离子数量逐渐减少。这一方面是由于气压的升度区域的峰值逐渐降低，小角度入射的离子数量逐渐减少。这一方面是由于气压的升高，导致碰撞增多，离子在碰撞过程中被散射，导致入射角增大。另一方面，随着气高，导致碰撞增多，离子在碰撞过程中被散射，导致入射角增大。另一方面，随着气压的升高，离子的能量减小，从而离子垂
9、直于电极表面的速度也随之减小，这也导致压的升高，离子的能量减小，从而离子垂直于电极表面的速度也随之减小，这也导致了入射角的增大。了入射角的增大。不同低频频率下的离子能量分布不同低频频率下的离子能量分布能能谱随低随低频降低而展降低而展宽低低频较高高能量偏低能量偏低低低频降低降低能量增高能量增高在低频频率较高时，入射离子的能量较小，在低频频率较高时，入射离子的能量较小，低能峰向右偏移。这是由于在较高的低频低能峰向右偏移。这是由于在较高的低频频率下，离子在若干个射频周期内穿过鞘频率下，离子在若干个射频周期内穿过鞘层，因此离子响应平均的鞘层电位降。大层，因此离子响应平均的鞘层电位降。大部分的离子具有相
10、近的能量，这使得低能部分的离子具有相近的能量，这使得低能峰向右偏移，离子能量较小。随着低频频峰向右偏移，离子能量较小。随着低频频率的降低，离子穿越鞘层的时间不到一个率的降低，离子穿越鞘层的时间不到一个射频周期，如果离子在鞘层电位降较大时射频周期，如果离子在鞘层电位降较大时过鞘层，就可以获得很高的能量。因此，过鞘层，就可以获得很高的能量。因此，当频率降低时，离子能量显著增加。当频率降低时，离子能量显著增加。不同低频频率下的离子角度分布不同低频频率下的离子角度分布低低频较高高角度角度较大大低低频降低降低角度减小角度减小在频率较低的情况下，较多的离子在频率较低的情况下，较多的离子以小角度入射到极板上
11、。因为由上以小角度入射到极板上。因为由上面的分析可以得出，在较低的低频面的分析可以得出，在较低的低频频率下，离子具有较高的能量，因频率下，离子具有较高的能量，因此离子垂直于极板的速度也较大。此离子垂直于极板的速度也较大。这就导致了离子入射角的减小。这就导致了离子入射角的减小。不同低频电压下的离子能量分布不同低频电压下的离子能量分布低低频电压对能量影响能量影响显著著低低电压低能离子低能离子高高电压高能离子高能离子随着低频电压的增加，离子能量显著随着低频电压的增加，离子能量显著增加，这是由于电压的增加导致射频增加，这是由于电压的增加导致射频电场增大，离子从射频源处获得的能电场增大，离子从射频源处获
12、得的能量显著增加，使得入射到极板上的离量显著增加，使得入射到极板上的离子具有很高的能量。子具有很高的能量。不同低频电压下的离子角度分布不同低频电压下的离子角度分布低低频电压对角度分布影角度分布影响响显著著低低电压大角度大角度高高电压小角度小角度离子的入射角随着电压的增大而明离子的入射角随着电压的增大而明显的减小。这是由于，离子在较高显的减小。这是由于，离子在较高的低频电压下具有很高的能量，从的低频电压下具有很高的能量，从而具有很大的垂直于极板方向的速而具有很大的垂直于极板方向的速度。正是由于垂直入射速度的增大度。正是由于垂直入射速度的增大使得离子的入射角度显著减小。使得离子的入射角度显著减小。
13、高频频率下的离子能量分布高频频率下的离子能量分布高高频频率影响鞘率影响鞘层类型型高高频频率低率低碰撞鞘碰撞鞘层高高频频率高率高无碰撞鞘无碰撞鞘层在较低的高频频率下，高能离子的分布很小，在较低的高频频率下，高能离子的分布很小，随着高频源的频率不断升高，高能区的离子随着高频源的频率不断升高，高能区的离子分布不断增加。这是因为高频频率的升高，分布不断增加。这是因为高频频率的升高，导致等离子体密度上升，使得鞘层的厚度变导致等离子体密度上升，使得鞘层的厚度变小。离子通过鞘层的距离减少，导致了离子小。离子通过鞘层的距离减少，导致了离子在鞘层中的碰撞减少，能量损失减少，使得在鞘层中的碰撞减少，能量损失减少，使得离子能量增加。离子能量增加。不同高频频率下的离子角度分布不同高频频率下的离子角度分布高高频较低低角度角度较大大高高频增高增高角度减小角度减小随着高频源频率的增加，等离子体随着高频源频率的增加，等离子体鞘层变薄，离子在鞘层中的碰撞减鞘层变薄，离子在鞘层中的碰撞减少，碰撞效应减弱。离子在通过鞘少，碰撞效应减弱。离子在通过鞘层的过程中由于碰撞而产生的散射层的过程中由于碰撞而产生的散射减少，这使得更多入射到极板上的减少，这使得更多入射到极板上的离子具有很小的入射角。离子具有很小的入射角。
