Abstract
在本論文中我們發展了一套二維電感式耦合乙炔氫氣混合電漿源流體模擬程式，以及其二維流體程式的分散平行化計算，在流體模型中我們考慮了中性氣體及帶電荷粒子的連續方程式與電子的能量守恆方程式，以計算電漿中各種粒子密度及電子溫度的空間分佈，同時利用馬克斯威爾方程式計算電漿腔內的感應電場分佈，以及使用帕松方程式解空間中的靜電場分佈。 我們共模擬了純乙炔及乙炔氫氣混合的電漿源，在氣壓100 mTorr，進氣為純乙炔氣體100 sccm，電漿吸收功率為500W的情況下所得到的模擬結果為：腔內的平均電子密度達到5.94×1018 1/m3，平均電子溫度為0.9475 eV，電漿中主要的離子平均密度由高到低依序排列為C4H2+、C6H2+、C8H2+、H2+，氣體組成中依平均密度由高到低依次為H2、C4H2、C2H2、C6H2，電漿中對碳管成長有重要影響的自由基，依密度大小順序依序從高至低為C4H3、C6H3、H、C8H，在中性氣體分子的空間分佈上，H、CH、C2H、C4H、C6H、C8H都是在腔體中心處較高，這是因為這些分子都是經由和電子或H原子作用產生，而電子或H的濃度都是在中心區最高，C4H2、C6H2、C8H2、C4H3、C6H3都是在上端濃度較高，而且在腔體中心較低，這是因為這些分子會和H反應成其他種類分子，而H在中心區的濃度最高，同時C4H2、C6H2、C8H2也可以經由電子碰撞解離，電子密度也是中心區最高。 在乙炔氫氣混和的電漿源模擬中，氣壓亦設為100 mTorr，進氣為乙炔氣體25 sccm及氫氣75 sccm，電漿吸收功率為500W的情況下所得到的模擬結果為：電子密度為4.39×1017 1/m3，腔內的平均電子溫度為1.1165 eV，其電子溫度相較於純乙炔氣體電漿源為高，這是因為腔內氣體中H2的量大為增加，相對的C4H2(次高濃度之成分)的量變少，H2游離能較C4H2游離能高，而游離機率比C4H2低，因此電子溫度升高，電漿中主要離子的平均密度由高到低排列為C4H2+、C6H2+、C8H2+、H2+，氣體組成中依平均密度大小由高到低依次為H2、C4H2、C2H2、C6H2，次序跟純乙炔氣體電漿源比較並沒有任何重大的改變，但H2和C4H2的比例從1.27倍變成15.4倍，含單一H的分子平均密度都增加，C10H2則稍增加，其餘的都變得較少。電漿中自由基對碳管成長很重要的影響，依密度大小順序依次H、C6H3、C4H3、C8H，由於氫氣濃度增高以致於氫原子成為量最多的自由基粒子。由於乙炔混合氫氣電漿源的電子溫度較純乙炔高，容易發生解離反應，另外，由於電子溫度在靠近線圈處(約1.86eV)比中心區(約1.3eV)要高，使得H2的解離主要靠近周邊線圈處，所以H的分佈變成靠近線圈處較高，其他如CH、C2H、C4H、C6H、C8H的分佈也是如此，和純乙炔電漿時的中心區較高完全不同。加入氫氣尚會使電子密度由原來的5.94×1018 1/m3 下降成4.39×1017 1/m3，這是因為氫氣增多，用於解離氫氣消耗的功率由原來的200 W增至376 W，用於解離的功率則降低所致，研究結果顯示加入多量氫氣對電漿中成分及密度分佈會有很大的影響。 另外，我們也將二維流體模型模擬程式寫成分散平行化計算程式以加速模擬運算，在利用我們自己所架設的叢集電腦上執行，以8台叢集電腦可以達到單機6倍的計算速度，減少計算時間