Ion energy distributions in RF sheaths with dust particles
We study ion energy distributions functions (IEDFs) within an rf sheath with dust particles in SiH₄ radio-frequency discharges and compare results with ones in Ar rf discharges. The simulations are carried by PIC/MCC method over a wide range of pressure, dust density and dust radius. Our model inclu...
Gespeichert in:
| Datum: | 2009 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | English |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2009
|
| Schriftenreihe: | Вопросы атомной науки и техники |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88235 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Ion energy distributions in RF sheaths with dust particles / O. Yu. Kravchenko, Yu. A. Yastrub, G.I. Levada, T.Y. Lisitchenko // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 1. — С. 95-97. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-88235 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-882352015-11-11T03:02:00Z Ion energy distributions in RF sheaths with dust particles Kravchenko, O. Yu. Yastrub, Yu. A. Levada, G.I. Lisitchenko, T.Y. Динамика плазмы и взаимодействие плазма – стенка We study ion energy distributions functions (IEDFs) within an rf sheath with dust particles in SiH₄ radio-frequency discharges and compare results with ones in Ar rf discharges. The simulations are carried by PIC/MCC method over a wide range of pressure, dust density and dust radius. Our model includes electron-neutral collisions, various kinds of collisions of ions with neutrals, positive-negative ion collisions. Results of calculations show that IEDFs for positive ions SiH⁺³ in silane rf-discharge essentially differ from IEDFS for positive ions in Ar discharges. Ions near electrodes get greater energy in electronegative discharge in consequence of inessential charge exchange processes in the rfsheath. Peaks of high energy ions are appeared in IEDFs, which are caused by significant decreasing of the radiofrequency sheath width and the ratio of ion penetrating time through sheath to the radio-frequency discharge period. Results of calculations show that big dust particles slow down ions in rf-sheaths, but the presence small dust particles can increase energy of ions. It is explained by the increasing of the potential drop near electrode. Досліджуються функції розподілу іонів за енергією в приелектродному шарі з пиловими частинками в ємнісному РЧ-розряді в силані та результати порівнюються з результатами, одержаними в аргоновому розряді. Моделювання виконувалось за допомогою PIC/MCC методу для широкого діапазону тиску, концентрації та радіусу пилових частинок. Наша модель включає зіткнення електронів з нейтралами, різні види зіткнень іонів з нейтралами, зіткнення позитивних та негативних іонів. Результати обчислень показали, що функції розподілу іонів за енергією для позитивних іонів SiH⁺³ в силановому РЧ-розряді відрізняються від функцій розподілу іонів в аргоновому розряді. Іони біля електроду одержують більшу енергію в електронегативному розряді внаслідок несуттєвої ролі процесів обміну зарядом в цих розрядах. В іонних функціях розподілу з’являються піки, які пов’язані зі значним зменшенням ширини РЧ- приелектродного шару і відношення часу прольоту іонів через приелектродний шар до періоду розряду Исследуются функции распределения ионов по энергии в приэлектродном слое с пылевыми частицами в емкостном РЧ-разряде в силане и результаты сравниваются с результатами, полученными в аргоновом разряде. Моделирование выполнялось при помощи PIC/MCC метода в широком диапазоне давлений, концентраций и радиусов пылевых частиц. Наша модель включает столкновения электронов с нейтралами, различные виды столкновений ионов с нейтралами, столкновения позитивных и негативных ионов. Результаты вычислений показали, что функции распределения ионов по энергии для позитивных ионов SiH⁺³ в силановом РЧ-разряде отличаются от функций распределения ионов в аргоновом разряде. Ионы вблизи электрода имеют большую энергию в электроотрицательном газе вследствие несущественной роли процессов перезарядки в этих разрядах. В ионных функциях распределения появляются пики, которые связаны со значительным уменьшением ширины РЧ-приэлектродного слоя и отношения времени пересечения ионами приэлектродного слоя к периоду разряда. 2009 Article Ion energy distributions in RF sheaths with dust particles / O. Yu. Kravchenko, Yu. A. Yastrub, G.I. Levada, T.Y. Lisitchenko // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 1. — С. 95-97. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 52.27.Lw. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88235 en Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
English |
| topic |
Динамика плазмы и взаимодействие плазма – стенка Динамика плазмы и взаимодействие плазма – стенка |
| spellingShingle |
Динамика плазмы и взаимодействие плазма – стенка Динамика плазмы и взаимодействие плазма – стенка Kravchenko, O. Yu. Yastrub, Yu. A. Levada, G.I. Lisitchenko, T.Y. Ion energy distributions in RF sheaths with dust particles Вопросы атомной науки и техники |
| description |
We study ion energy distributions functions (IEDFs) within an rf sheath with dust particles in SiH₄ radio-frequency discharges and compare results with ones in Ar rf discharges. The simulations are carried by PIC/MCC method over a wide range of pressure, dust density and dust radius. Our model includes electron-neutral collisions, various kinds of collisions of ions with neutrals, positive-negative ion collisions. Results of calculations show that IEDFs for positive ions SiH⁺³ in silane rf-discharge essentially differ from IEDFS for positive ions in Ar discharges. Ions near electrodes get greater energy in electronegative discharge in consequence of inessential charge exchange processes in the rfsheath. Peaks of high energy ions are appeared in IEDFs, which are caused by significant decreasing of the radiofrequency sheath width and the ratio of ion penetrating time through sheath to the radio-frequency discharge period. Results of calculations show that big dust particles slow down ions in rf-sheaths, but the presence small dust particles can increase energy of ions. It is explained by the increasing of the potential drop near electrode. |
| format |
Article |
| author |
Kravchenko, O. Yu. Yastrub, Yu. A. Levada, G.I. Lisitchenko, T.Y. |
| author_facet |
Kravchenko, O. Yu. Yastrub, Yu. A. Levada, G.I. Lisitchenko, T.Y. |
| author_sort |
Kravchenko, O. Yu. |
| title |
Ion energy distributions in RF sheaths with dust particles |
| title_short |
Ion energy distributions in RF sheaths with dust particles |
| title_full |
Ion energy distributions in RF sheaths with dust particles |
| title_fullStr |
Ion energy distributions in RF sheaths with dust particles |
| title_full_unstemmed |
Ion energy distributions in RF sheaths with dust particles |
| title_sort |
ion energy distributions in rf sheaths with dust particles |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| publishDate |
2009 |
| topic_facet |
Динамика плазмы и взаимодействие плазма – стенка |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/88235 |
| citation_txt |
Ion energy distributions in RF sheaths with dust
particles / O. Yu. Kravchenko, Yu. A. Yastrub, G.I. Levada, T.Y. Lisitchenko // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 1. — С. 95-97. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. |
| series |
Вопросы атомной науки и техники |
| work_keys_str_mv |
AT kravchenkooyu ionenergydistributionsinrfsheathswithdustparticles AT yastrubyua ionenergydistributionsinrfsheathswithdustparticles AT levadagi ionenergydistributionsinrfsheathswithdustparticles AT lisitchenkoty ionenergydistributionsinrfsheathswithdustparticles |
| first_indexed |
2025-07-06T15:59:49Z |
| last_indexed |
2025-07-06T15:59:49Z |
| _version_ |
1836913882215481344 |
| fulltext |
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2009. № 1. 95
Series: Plasma Physics (15), p. 95-97.
ION ENERGY DISTRIBUTIONS IN RF SHEATHS WITH DUST
PARTICLES
O. Yu. Kravchenko, Yu. A. Yastrub, G.I. Levada, T.Y. Lisitchenko
Taras Shevchenko National University of Kiev, Kiev, Ukraine
We study ion energy distributions functions (IEDFs) within an rf sheath with dust particles in 4SiH radio-frequency
discharges and compare results with ones in Ar rf discharges. The simulations are carried by PIC/MCC method over a
wide range of pressure, dust density and dust radius. Our model includes electron-neutral collisions, various kinds of
collisions of ions with neutrals, positive-negative ion collisions. Results of calculations show that IEDFs for positive
ions 3SiH + in silane rf-discharge essentially differ from IEDFS for positive ions in Ar discharges. Ions near electrodes
get greater energy in electronegative discharge in consequence of inessential charge exchange processes in the rf-
sheath. Peaks of high energy ions are appeared in IEDFs, which are caused by significant decreasing of the radio-
frequency sheath width and the ratio of ion penetrating time through sheath to the radio-frequency discharge period.
Results of calculations show that big dust particles slow down ions in rf-sheaths, but the presence small dust particles
can increase energy of ions. It is explained by the increasing of the potential drop near electrode.
PACS: 52.27.Lw.
1. INTRODUCTION
High density plasma sources are widely studied due to
their growing use in semiconductor manufacturing and
fabrication. In processing plasmas, it is well known that
the ion energy arriving at the substrate is crucial in
etching and deposition rates of the film. In general, the
motion of the ions as well as the ion distribution functions
are determined by the spatiotemporal variations of the
sheath electric field and the collisions the ions undergo
while traversing the sheath. Dust particles can appear in
sheaths of rf discharges as the product of the plasma-wall
interaction or can be created due to coagulation of various
components in chemically active plasmas. It is known
[1,2] that the dust particles can essentially influence the
parameters of the rf discharges due to a continuous
selective collection of background electrons and ions that
can essentially influence their energy distribution
functions.
Analytical models assume limiting approximations
such as constant sheath width, sinusoidal sheath potential
drop, and therefore give only qualitative features of the
IEDF. Because of the complexity of rf sheath dynamics,
most calculations of IEDFs rely on numerical methods.
In the present paper we discuss IEDFs within an rf
sheath both in Ar discharges and in 4SiH discharges with
dust particles. The simulations are carried out over a wide
range of pressure, dust density and dust radius.
2. MODEL
A one-dimensional RF discharge is considered
between two plane electrodes separated by a gap of
d = 5.0 cm which is filled with Ar or 4SiH at various
pressures. Immobile dust particles of a given radius Rd
are distributed uniformly in the interelectrode gap with a
density dN . The dust particles collect and scatter
electrons and ions distributed in the discharge with
density ne and ni, respectively. A harmonic external
voltage 0( ) sin( )eV t V tω= at a frequency f=13,56 MHz
and various amplitudes 0V sustains the RF discharge. The
discharge is grounded at x=d.
The PIC/MC method is based on a kinetic
description of the particle motion in velocity position
space. Positive and negative ‘superparticles’ move in the
self-consistent electric field they generate. The electric
field is obtained by solving the Poisson equation. The
Monte Carlo formalism is used to describe the effect of
collisions. The displacement between collisions is ruled
by Newton’s law.
The PIC/MCC method described in detail earlier for
discharges without dust particles [3] is developed for
computer simulations of the RF discharge with dust
particles [4]. The Monte Carlo technique is used to
describe electron and ion collisions. The collisions
include elastic collisions of electrons and ions with atoms,
ionization and excitation of atoms by electrons, charge
exchange between ions and atoms, Coulomb collisions of
electrons and ions with dust particles, as well as the
electron and ion collection and scattering by dust
particles. In addition to a usual PIC/MCC scheme, the
weighting procedure is used also for the determination of
a superparticle charge part, which is interacting with a
dust particle [5].
There are three kinds of charged particle in our model
of 4SiH discharge (electrons, positive ions 3SiH + and
negative ions 3SiH − ) and two kinds of charged particle
in the model of Ar discharge (electrons and ions Ar+ ).
3. SIMULATION RESULTS
In this paper we present results for argon and silane
discharges with dust particles, as well as without ones.
Calculations are performed at some values of the dust
density, dust particle radius, the neutral gas pressure and
the interelectrode distance. The frequency and amplitude
of the radio-frequency voltagy were
013,56 , 150MHz V Vω = = .
96
Fig. 1 shows ion energy distribution functions for
Ar+ in rf-sheaths at pressure p=0.1 Torr. Various curves
correspond to various dust densities and dust radii. It is
seen that big dust particles slow down ions in rf-sheaths,
but the presence small dust particles can increase energy
of ions (case with dust radius 50dr nm= and dust density
13 35 10dn m−= ⋅ ). It is explained by increasing of the
potential drop near electrode. Furthemore, some peaks are
appeared in IEDFs for case with dust radius 50dr nm=
and dust density 13 35 10dn m−= ⋅ . The reason of these
peaks is the decreasing of the sheath width and, therefore,
the decreasing of ion penetrating time through sheath iτ .
In Fig. 2 IEDFs for positive ions 3SiH + in silane rf-
discharge at various pressures are pictured. It is seen the
appearance of peaks of high energy ions, which are
caused by significant increasing plasma potential in the
electronegative discharge. The increasing of a gas
pressure is caused the shift peaks towards to an energy
decreasing. In Fig.3a and Fig3b are presented phase
portraits of ions Ar+ and 3SiH + correspondingly. It is
significant, that ions near electrodes get greater energy in
electronegative discharge, than in electropositive one.
This result is due to the inessential role of charge
exchange processes in the rf-sheath in electronegative
discharges. Peaks of high energy ions are appeared in
IEDFs, which are caused by significant decreasing of the
radio-frequency sheath width and the ratio of ion
penetrating time through sheath to the radio-frequency
discharge period.
Results of calculations show that big dust particles
slow down ions in rf-sheaths, but the presence small dust
particles can increase energy of ions. It is explained by
the increasing of the potential drop near electrode.
Comparison of simulation results with analytical
calculations in a collisionless rf sheath is discussed.
Fig.3. Phase portrait of ions
(a) - Ar+ at 10 34 10 , 6d dn m r mkm−= ⋅ = ;
(b) - 3SiH + at 10 34 10 , 6d dn m r mkm−= ⋅ =
4. CONCLUSIONS
The evolution of the IEDF at various combinations of
pressure, dust density and dust radius has been studied by
means of a 1D PIC/MCC model and compared between
an electropositive rare gas (argon) discharge and an
electronegative molecular gas (silane) discharge.
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08
-10000
-5000
0
5000
10000
V,m
x,m
a
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
-2,0x104
0,0
2,0x104
V,m/s
x, m
b
0 10 20 30 40 50
0
1x108
2x108
3x108
fi
E, eV
nd=0
n
d
=5*1013m-3, r
d
=50 nm
n
d
=1012m-3, r
d
=1 μm
n
d
=4*1010m-3, r
d
=6 μm
p=0.1 torr
Fig.1. Computed IEDFs for Ar discharges at pressure
p=0.1 Torr
0 20 40 60 80 100
0,0
2,0x109
4,0x109
6,0x109 p = 0.1 Tor
p = 0.3 Tor
fi
E,eV
Fig.2. Computed IEDFs for 3SiH + ions in silane
discharges at pressure p=0.1 Torr and p=0.3 Torr
97
Results of our simulations show that negative ions are
distributed in the central part of the discharge chamber
and their mean energy much more than one of positive
ions in this place. Dust particles increase the mean energy
of negative ions in the discharge. In rf-sheaths of
electronegative discharges positive ions are accelerated to
bigger energies than in the case of argon discharge. It
caused by essential role charge exchange processes in
electropositive (argon) discharges. Results of calculations
show that big dust particles slow down ions in rf-sheaths,
but the presence small dust particles can increase energy
of ions. It is explained by the increasing of the potential
drop near electrode.
REFERENCES
1. L. Boufendi, A. Bouchole. Particle nucleation and
growth in a low-pressure argon-silane discharge // Plasma
Sources Sci. Technol. 1994, N 3, p.262-267.
2. M. Surendra, D.B. Graves, G.M. Jellum. Self-
consistent model of a direct-current glow discharge:
Treatment of fast electrons // Phys. Rev. A. 1990, v. 41,
N 2, p. 1112-1126.
3. C.K.Birdsall. Particle-in-cell charged –particle
simulations, plus Monte Carlo Collisions with neutral
atoms, PIC-MCC// IEEE Trans. Plasma Sci. 1991, N 19,
p.65-85.
4. V. Vahedi, G. DiPeso, C.K. Birdsall, M.A. Lieberman,
T.D. Rognlien //Plasma Sources Sci. Technol. 1993, N 2,
p. 261-272.
5. Y. Chutov, W. Goedheer, O. Kravchenko, V. Zuz,
Yan Min // J. Plasma and Fusion Research, 2001, N 4,
p. 340-348.
Article received 23.09.08
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНОВ ПО ЭНЕРГИИ В РЧ- ПРИЭЛЕКТРОДНЫХ СЛОЯХ
С ПЫЛЕВЫМИ ЧАСТИЦАМИ
А.Ю. Кравченко, Ю.А. Яструб, Г.И. Левада, Т.Е. Лиситченко
Исследуются функции распределения ионов по энергии в приэлектродном слое с пылевыми частицами в
емкостном РЧ-разряде в силане и результаты сравниваются с результатами, полученными в аргоновом разряде.
Моделирование выполнялось при помощи PIC/MCC метода в широком диапазоне давлений, концентраций и
радиусов пылевых частиц. Наша модель включает столкновения электронов с нейтралами, различные виды
столкновений ионов с нейтралами, столкновения позитивных и негативных ионов. Результаты вычислений
показали, что функции распределения ионов по энергии для позитивных ионов 3SiH + в силановом РЧ-разряде
отличаются от функций распределения ионов в аргоновом разряде. Ионы вблизи электрода имеют большую
энергию в электроотрицательном газе вследствие несущественной роли процессов перезарядки в этих разрядах.
В ионных функциях распределения появляются пики, которые связаны со значительным уменьшением ширины
РЧ-приэлектродного слоя и отношения времени пересечения ионами приэлектродного слоя к периоду разряда.
РОЗПОДІЛИ ІОНІВ ЗА ЕНЕРГІЄЮ В РЧ- ПРИЕЛЕКТРОДНИХ ШАРАХ
З ПИЛОВИМИ ЧАСТИНКАМИ
О.Ю. Кравченко, Ю.А. Яструб, Г.І. Левада, Т.Є. Лиситченко
Досліджуються функції розподілу іонів за енергією в приелектродному шарі з пиловими частинками в
ємнісному РЧ-розряді в силані та результати порівнюються з результатами, одержаними в аргоновому розряді.
Моделювання виконувалось за допомогою PIC/MCC методу для широкого діапазону тиску, концентрації та
радіусу пилових частинок. Наша модель включає зіткнення електронів з нейтралами, різні види зіткнень іонів з
нейтралами, зіткнення позитивних та негативних іонів. Результати обчислень показали, що функції розподілу
іонів за енергією для позитивних іонів 3SiH + в силановому РЧ-розряді відрізняються від функцій розподілу
іонів в аргоновому розряді. Іони біля електроду одержують більшу енергію в електронегативному розряді
внаслідок несуттєвої ролі процесів обміну зарядом в цих розрядах. В іонних функціях розподілу з’являються
піки, які пов’язані зі значним зменшенням ширини РЧ- приелектродного шару і відношення часу прольоту іонів
через приелектродний шар до періоду розряду.
|