Plasma Module
Plasma Module
Zum Modellieren von Niedertemperatur- und Nichtgleichgewichtsplasmen
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.
Weitere Bilder
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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 BEHINDRTE ENTLADUNG: Eine kleine Lücke zwischen zwei Dielektrika ist mit Gas gefüllt. Es wird eine Spannung angelegt, so dass freie Elektron beschleunigt werden und Ionisierung verursachen. Es ist der Massenanteil der elektronisch angeregten Argonatome dargestellt.
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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 „Induktiv gekoppelte Plasma“-Interface stellt automatisch die komplizierte Kopplung zwischen den Elektronen und den hochfrequenten elektromagnetischen Feldern her, die in dieser Art von Plasma vorhanden sind.
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.
Capacitively Coupled Plasma Analysis
Luke T. Gritter, Sergei Yushanov, Jeffrey S. Crompton, and Kyle C. Koppenhoefer AltaSim Technologies Columbus, OH
AltaSim Technologies provides engineering consulting services involving advanced multiphysics modeling such as capacitively coupled plasma (CCP). Plasma etching and deposition of thin films, critical processes in the manufacture of advanced microelectronic devices, commonly utilize CCP, in which the plasma is initiated and sustained by an ...
In-Plane Microwave Plasma
Wave heated discharges may be very simple, where a plane wave is guided into a reactor using a waveguide, or very complicated as in the case with ECR (electron cyclotron resonance) reactors. In this example, a wave is launched into reactor and an Argon plasma is created. The wave is partially absorbed and reflected by the plasma which sustains the ...
Benchmark Model of a Capacitively Coupled Plasma
The underlying physics of a capacitively coupled plasma is rather complicated, even for rather simple geometric configurations and plasma chemistries. This model benchmarks the Capacitively Coupled Plasma physics interface against many different codes.
GEC ICP Reactor, Argon Chemistry
The GEC cell was introduced by NIST in order to provide a standardized platform for experimental and modeling studies of discharges in different laboratories. The plasma is sustained via inductive heating. The Reference Cell operates as an inductively-coupled plasma in this model. This model investigates the electrical characteristics of the ...
Dielectric Barrier Discharge
This model simulates electrical breakdown in an atmospheric pressure gas. Modeling dielectric barrier discharges in more than one dimension is possible, but the results can be difficult to interpret because of the amount of competing physics in the problem. In this simple model the problem is reduced to 1D by assuming the dielectric gap is ...
Surface Chemistry Tutorial
Surface chemistry is often the most important and most overlooked aspect of reacting flow modeling. Surface rate expressions can be hard to find or not even exist at all. Often it is preferable to use sticking coefficients to describe surface reactions because they can be estimated intuitively. The tutorial model simulates outgassing from a ...
Model of an Atmospheric Pressure Corona Discharge
This model simulates a negative corona discharge occurring in between two co-axially fashioned conductors. The negative electric potential is applied to the inner conductor and the exterior conductor is grounded. The modeled discharge is simulated in argon at atmospheric pressure.
Thermal Plasma
This model simulates a plasma at medium pressure (2 torr) where the plasma is still not in local thermodynamic equilibrium. At low pressures the two temperatures are decoupled but as the pressure increases the temperatures tend towards the same limit.
Computing the Ion Energy Distribution Function
One of the most useful quantites of interest after solving a self-consistent plasma model is the ion energy distribution function (IEDF). The magnitude and shape of the IEDF depends on many of the discharge parameters; pressure, plasma potential, sheath width etc. At very low pressures the plasma sheath is said to be collisionless, meaning that ...
