A validation study was performed on a capacitively coupled argon discharge to determine the most suitable models for chemistry and electron transport. Chemical reaction rate and electron transport models choices include equilibrium or non-equilibrium electron EDFs. Experimental studies performed by our collaborative partners in the Colorado School of Mines. Conditions for the studies are 138, 315, and 618 mTorr where the cycle averaged power varied at 20, 50, and 80 Watts in which the voltage supply was driven at 13.56 MHz. Simulations were performed using pressures and voltage used in experiments. The most accurate case was for 138 mTorr at 50 Watts using a non-Maxwellian EDF based chemistry (called Bolsig+ chemistry) and a constant electron momentum transfer cross section of 20 Angstroms which was computed from Boeuf’s paper; this model accurately modeled power deposition to within 2.6%. Furthermore, species number densities, electron temperature, and sheath thicknesses are obtained. Using Bolsig+ chemistry resulted in 20,000K higher electron temperatures than using Arrhenius chemistry rates. Results indicate that power deposition occurs due to electrons gaining energy from the sheath which in turn bombard neutral species producing metastable argon. / text

Un code de simulation de plasma à deux dimensions électrostatique à coordonnées cartésiennes Particle-in-cell/ Monte Carlo Collision (PIC/MCC) est présenté, incluant un nouveau traitement de l'équilibre des charges aux limites diélectriques. Il est utilisé pour simuler un plasma dans le gaz Ar dans un réacteur à plaques parallèles à couplage capacitif à radiofréquence a géométrie symétrique avec une paroi latérale diélectrique épaisse. La paroi latérale diélectrique protège efficacement le plasma du champ électrique augmenté au niveau de la jonction entre l'électrode alimentée et l'électrode à la masse, dont on a montré précédemment qu'elle produisait une augmentation localise de la densité de plasma. Néanmoins, un réchauffement accru des électrons est observé dans une région adjacente à la limite diélectrique, conduisant à des maxima de le taux d'ionisation, de la densité du plasma et du flux ionique vers les électrodes dans cette région. Les différents composants du chauffage électronique sont dérivés des simulations PIC/MCC et montrent que cette augmentation du chauffage électronique provient d'un chauffage ohmique accru dans la direction axiale lorsque la densité électronique diminue vers la paroi latérale. Nous avons étudié la validité de différentes formules analytiques pour estimer le chauffage ohmique en les comparant aux résultats PIC. Le chauffage des électrons à composantes x a proximité des coins a été observé aux fréquences d'excitation plus élevées, provenant d'un champ RF oscillant important dans la direction x. / A Cartesian-coordinate two-dimensional electrostatic Particle-in-cell/Monte-Carlo Collision (PIC/MCC) plasma simulation code is presented, including a new treatment of charge balance at dielectric boundaries. It is used to simulate an Ar plasma in a symmetric radiofrequency capacitively-coupled parallel-plate reactor with a thick dielectric side-wall. The dielectric side-wall effectively shields the plasma from the enhanced electric field at the powered-grounded electrode junction, which has previously been shown to produce locally enhanced plasma density. Nevertheless, enhanced electron heating is observed in a region adjacent to the dielectric boundary, leading to maxima in ionization rate, plasma density and ion flux to the electrodes in this region. The electron heating components are derived from the PIC/MCC simulations and show that this enhanced electron heating results from increased Ohmic heating in the axial direction as the electron density decreases towards the side-wall. We investigated the validity of different analytical formulas to estimate the Ohmic heating by comparing them to the PIC results. The x component electron heating near the corners was observed at higher driving frequency, which is caused by a significant RF oscillating field in the x direction.

Μια από τις σημαντικότερες τεχνικές εγχάραξης σε μίκρο και νάνο-κλίμακα είναι αυτή της ξηρής εγχάραξης με πλάσμα. Η παρούσα εργασία είχε σαν σκοπό την κατασκευή διάταξης επεξεργασίας ψυχρού πλάσματος χαμηλής πίεσης που να λειτουργεί στο πεδίο των ραδιοσυχνοτήτων, με την προοπτική να χρησιμοποιηθεί για την επεξεργασία πολυμερών και άλλων υλικών που χρησιμοποιούνται στις μονώσεις υψηλών τάσεων ώστε να βελτιωθούν διάφορες ιδιότητές τους όπως η επιφανειακή υδροφοβία και η αντοχή στη ρύπανση. Ειδικότερα: Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται εισαγωγή του αναγνώστη στην επεξεργασία πλάσματος και συγκεκριμένα στην εγχάραξη και τους φυσικούς και χημικούς μηχανισμούς της. Αναλύεται η διάταξη RIE, η οποία εφαρμόζεται κατά την κατασκευή του συστήματος. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται ο σχεδιασμός και η κατασκευή της διάταξης επεξεργασίας, η οποία αποτελείτε από διακριτά μέρη όπως οι θάλαμοι, το πνευματικό σύστημα, το αντλητικό σύστημα και το σύστημα τροφοδοσίας της ισχύος. Δόθηκε ιδιαίτερη προσοχή στη λεπτομερή περιγραφή του κάθε εξαρτήματος που ενσωματώθηκε και ο εξειδικευμένος ρόλος του, ενώ τα αναλυτικά κατασκευαστικά σχέδια παρατίθενται στο παράρτημα. Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται βασικός χαρακτηρισμός του αντιδραστήρα. Δηλαδή, παρουσιάζονται οι ηλεκτρικές μετρήσεις οι οποίες ταυτίζονται με τη βιβλιογραφία, παρουσιάζονται οπτικές μετρήσεις από τις οποίες γίνεται ταυτοποίηση ενεργών σωματίων, τα οποία επίσης είναι σύμφωνα με τη βιβλιογραφία παρόμοιων συστημάτων και τέλος, γίνεται ενδεικτική επεξεργασία πολυμερούς και έλεγχος του αποτελέσματος, το οποίο είναι η πιστή απόδοση μοτίβου και ρυθμός εγχάραξης 30nm/min. Στο τέταρτο και τελευταίο κεφάλαιο προτείνονται μελλοντικές εργασίες και βελτιώσεις. / One of the most prominent etching techniques at micro and nano-scale is dry plasma etching. This work’s purpose was the fabrication of a cold plasma low pressure radio-frequency processing rig, with the prospect of being used for polymer and other materials processing, that are used in high voltage insulators, in order to improve their surface properties such as hydrophobicity and pollution resistance. In particular; In the first chapter the reader is being introduced in plasma processing and in particular in etching and physical and chemical mechanisms. RIE set-up, which is to be applied in our rig, is being analyzed. In the second chapter the design and fabrication of the processing rig are being described, which includes parts like the chambers, the pneumatic system, the pumping system and the power delivery system. Special care has been given for a detailed description of every added component and its specialized role, while their analytical mechanical designs are collocated in the appendix. In the third chapter a basic characterization of the reactor is being delivered. Namely, we present electrical measurements which correspond precisely to bibliography and we also present optical measurements from which identification of reactive species is derived, also in accordance to bibliography. Finally, a polymeric substrate is indicatively processed and the result is the faithful pattern transfer by an etching rate of 30nm/min. In the fourth and last chapter, suggestions for future work and improvements are made.