Abstract
低氣壓的電漿源廣泛的應用在半導體製程上，其中電感耦合式電漿源為最常見的高密度電漿源。早期的研究往往忽略電漿對中性氣體加熱的效應，但近年來的研究發現電漿中的中性氣體溫度會隨電漿功率有明顯的上升，中性氣體溫度上升對電漿特性會有重要的影響。本研究的目的為在電漿二維流體模式中加入考慮中性氣體的加熱效應，包括加入中性氣體的能量守恆方程式，並考慮不同中性氣體的加熱機制，以研究比較不同加熱機制影響及加熱貢獻。所考慮的主要加熱機制包括離子和中性粒子碰撞、電子和中性粒子碰撞、離子到達wall形成中性粒子回來所得到的能量。並且在離子及中性氣體的動量守恆方程式中的碰撞動量轉移項改用較精確的算法。目前模擬的設定為使用Ar工作氣體，由模擬結果發現當離子動量守恆方程中的離子與中性氣體碰撞動量轉移項改用和離子速度有關的較精確算法時，會使電漿密度分佈由上下較對稱變成較偏上方，且使平均電漿密度下降約2.3倍。電漿功率600 W，工作氣壓為10 mTorr，顯見使用不同的物理模式會有相當大的影響，因此本項研究使用完整之離子動量方程式進行模擬。模擬時設定氣體流量20 sccm，離子溫度固定在2320 K，圓柱形腔體半徑10公分，高10公分，腔壁溫度設為300 K。先考慮離子與中性粒子的碰撞加熱效應，電漿功率為100 W，thermal accommodation coefficient α設為0.5，模擬結果發現當氣壓從10 mTorr升至20,30及40 mTorr時，中性氣體的平均溫度會從793 K降至747， 742及750 K，腔體內的最高氣體溫度則從905 K分別升至928，979及1032 K，離子對中性粒子碰撞加熱功率則從10.6 W升至11.8 W， 12.6 W及13.6 W，氣壓上升也會使氣體分佈分佈從較平緩變得較陡峭。靠近腔壁的氣體平均溫度則從465 K分別升至385，358及345 K，此因氣壓高時，導熱至腔壁的能力增加。另外也研究電漿吸收功率對中性氣體加熱的影響，在10 mTorr工作氣壓，電漿功率從25 W升至50，75及100 W時，中性氣體的平均溫度會從467 K分別升至589， 695及793 K，此因對中性氣體加熱的功率會從2.87 W分別升至5.53，8.10及10.59 W，大致會成比例的增加。除了離子對中性粒子碰撞加熱，若加入考慮其他加熱效應，以20 mTorr，100 W電漿功率時，發現離子加熱為10.84 W，電子和中性粒子碰撞加熱為0.51 W，離子和中性粒子作電荷轉移碰撞之加熱作用9.73 W，及離子撞到腔壁變成高能量中性粒子之加熱作用6. 94 W，會使平均中性氣體溫度升至1142 K，遠高於只考慮離子碰撞加熱時的747 K。研究結果顯示中性氣體會受到顯著的加熱作用，會使中性氣體密度降低，影響電漿密度及電子溫度，及其空間分佈型態。在感應式電漿源中，離子碰撞中性粒子加熱，離子和中性粒子作電荷轉移碰撞及離子撞腔壁變成中性粒子的加熱都相當重要，而電子的碰撞加熱則較不重要。