Plasma Module

Niedrigtemperatur Nichtgleichgewichts-entladungen mit dem Plasma Module modellieren

Eine quadratische Spule befindet sich über einem dielektrischen Fenster und wird elektrisch angeregt, während in der darunter befindlichen, mit Argon gefüllten Kammer ein Plasma erzeugt wird. Das Plasma wird über elektromagnetische Induktion aufrechterhalten, bei der die Leistung aus den elektromagnetischen Feldern an die Elektronen übertragen wird.

Maßgeschneidert zum Simulieren von Niedertemperatur-Plasmaquellen und -systemen

Das Plasma Module ist maßgeschneidert, um Niedertemperatur-Plasmaquellen und -systeme zu modellieren und zu simulieren. Ingenieure und Wissenschaftler nutzen es, um Einblicke in die physikalischen Vorgänge von Entladungen zu gewinnen und die Leistungsfähigkeit von vorhandenen oder möglichen Entwicklungen zu beurteilen. Das Modul kann Analysen in allen Raumdimensionen ausführen – 1D, 2D und 3D. Plasmasysteme sind von Natur aus komplizierte Systeme mit einem hohen Grad an Nichtlinearität. Kleine Änderungen der elektrischen Eingangsleistung oder der Plasmachemie können zu erheblichen Änderungen in den Entladungseigenschaften führen.

Plasmen – wirklich multiphysikalische Systeme

In Niedertemperaturplasmen sind verschiedene physikalische Phänomene miteinander gekoppelt: Strömungsmechanik, Verfahrenstechnik, physikalischer Kinetik, Wärmetransport, Stofftransport und Elektromagnetik – anders formuliert: ein wirklich multiphysikalisches System. Das Plasma Module ist ein spezialisiertes Werkzeug zum Modellieren von Nichtgleichgewichtsplasmen, die in vielen technischen Disziplinen auftreten. Das Plasma Module besteht aus einer Reihe von Physikinterfaces, die es ermöglichen, beliebige Systeme zu modellieren. Über diese Interfaces können beispielsweise folgende Phänomene modelliert werden: Gleichstromentladungen, induktiv gekoppelte Plasmen und Mikrowellenplasmen. Das Plasma Module wird mit einer Reihe von dokumentierten Beispielmodellen, mit schrittweisen Beschreibungen des Modellierungsprozesses und mit einem Benutzerhandbuch geliefert.

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INDUKTIV GEKOPPELTE PLASMEN: ICP-Reaktoren werden bei niedrigem Druck betrieben und erzeugen höhere Ladungsdichten als kapazitiv gekoppelte Plasmen. Induktiv gekoppelte Plasmen sind populär, weil ein Ionenbeschuss bei niedrigem Druck zu einer gleichmäßigen Ätzgeschwindigkeit auf der Waferoberfläche führt. Dies ist ein Oberflächenplot der Teilchendichte angeregter Argonatome in einem GEC-ICP-Reaktor.

DIELEKTRISCH BEHINDERTE ENTLADUNG: Eine kleine Lücke zwischen zwei Dielektrika ist mit Gas gefüllt. Es wird eine Spannung angelegt, so dass freie Elektronen beschleunigt werden und Ionisierung verursachen. Es ist der Massenanteil der elektronisch angeregten Argonatome dargestellt.

MIKROWELLENPLASMEN: In dieser Querstrom-Anordnung tritt eine TE- Welle am oberen Rand ein und wird, wenn sie mit dem Plasma in Wechselwirkung tritt, absorbiert. Die weiße Kontur zeigt die Stelle, an der die Elektronendichte der kritischen Elektronendichte entspricht. Die Welle wird vollständig vom Plasma absorbiert.

Induktiv gekoppelte Plasmen

Induktiv gekoppelte Plasmen (ICP) wurden erstmals in den 1960ern als thermische Plasmen in Beschichtungsapparaturen verwendet. Diese Apparaturen wurden mit einem Druck von etwa 10 kPa betrieben und haben Gastemperaturen von etwa 10.000 K erreicht. In den 1990ern wurden ICPs in der Dünnschichtindustrie als eine Möglichkeit bekannt, große Halbleiterwafer zu beschichten. Diese Plasmen werden im Niederdruckbereich (von 0,2 bis 100 Pa) betrieben, was zur Folge hat, dass die Gastemperatur nahe der Raumtemperatur bleibt. Niederdruck-ICPs sind attraktiv, weil sie eine relativ gleichmäßige Plasmadichte über ein großes Volumen ermöglichen. Außerdem ist die Plasmadichte hoch, circa 10¹⁸ 1/m³, wodurch sich ein erheblicher Ionenfluss zur Oberfläche des Wafers ergibt. Häufig werden Faradaykäfige eingesetzt, um den Effekt der kapazitiven Kopplung zwischen dem Plasma und der anregenden Spule zu verringern. Das Interface Induktiv gekoppeltes Plasma stellt automatisch die komplizierte Kopplung zwischen den Elektronen und den hochfrequenten elektromagnetischen Feldern her, die in dieser Art von Plasma vorhanden sind. Das Induktiv gekoppeltes Plasma-Interface erfordert sowohl das Plasma Module als auch das AC/DC Module.

Globale Modellierung für erste Analysen von Plasmaprozessen

Um Ihnen die Modellierung von Plasmaprozessen zu erleichtern, bietet Ihnen ein neues Global Diffusion Model die Möglichkeit, erste Analysen Ihrer Prozesse durchzuführen, bevor Sie diese mit einer genaueren Modellierung optimieren. Die globale Modellierung reduziert die Freiheitsgrade für Ihre Modelle, indem sie gewöhnliche Differentialgleichungen auf Ihr Plasmamodell anwendet. Auf diese Weise können komplexe Reaktionschemikalien getestet und verifiziert werden, bevor raumabhängige Modelle ausgeführt werden, während die Reaktorgeometrie, die Oberflächenchemie und die Zuführungsströme trotzdem noch berücksichtigt werden.

Gleichstromentladungen

Mit Hilfe eines speziellen Physikinterfaces können Gleichstromentladungen modelliert werden, die durch Sekundärelektronenemission an der Kathode infolge von Ionenbeschuss aufrechterhalten werden. Das Interface beinhaltet die zugrunde liegenden Gleichungen und Bedingungen zur Modellierung dieses Phänomens und ermöglicht die Eingabe von Modellparametern. Die Elektronen, die von der Kathode emittiert werden, werden durch den Kathodenfallbereich in das Plasma hinein beschleunigt. Hierbei können sie genügend Energie aufnehmen, um das Hintergrundgas zu ionisieren, wodurch ein neues Elektron-Ionen-Paar erzeugt wird. Das Elektron nimmt seinen Weg zur Anode, wohingegen das Ion zur Kathode wandert und dort ein neues Sekundärelektron erzeugen kann. Es ist nicht möglich, eine Gleichstromentladung ohne die Berücksichtigung von Sekundärelektronenemission aufrechtzuerhalten.

Mikrowellenplasmen

Mit dem Mikrowellenplasma-Interface können Sie Entladungen simulieren, die durch Wellen erzeugt werden. Sie kommen zustande, wenn Elektronen genügend Energie aus einer elektromagnetischen Welle aufnehmen können, während diese das Plasma durchdringt. Die physikalischen Eigenschaften eines Mikrowellenplasmas sind – je nachdem ob die Ausbreitung der Welle im TE-Mode (elektrisches Feld außerhalb der Ebene) oder im TM-Mode (elektrisches Feld innerhalb der Ebene) erfolgt– unterschiedlich. In keinem der beiden Fälle kann die elektromagnetische Welle in Bereiche des Plasmas vordringen, in denen die Elektronendichte die kritische Elektronendichte (etwa 7,6x10¹⁶ 1/m³ für Argon bei 2,45 GHz) übersteigt. Der Druckbereich für Mikrowellenplasmen ist sehr breit. Für Zyklotronresonanz-Plasmen kann der Druck 1 Pa oder weniger betragen. Für Nicht-Zyklotronresonanz-Plasmen liegt der Druck üblicherweise im Bereich von 100 Pa bis hin zum Atmosphärendruck. Die Leistung kann von wenigen Watt bis hin zu mehreren Kilowatt reichen. Mikrowellenplasmen sind wegen der günstigen Verfügbarkeit von Mikrowellenleistung populär. Das Mikrowellenplasma-Interface erfordert sowohl das Plasma Module als auch das RF Module.