The topic is in two subjects. The first subject is a theoretical study of the discrete particle effect in a nano-scale trench and the second subject is on a large area capacitively coupled plasma source for LCD processing. Understanding the charging process in a nano trench is an important task for the nano fabrication. In this thesis, strong coulomb interactions between discrete particles are studied. Our study has been motivated by the fact that the discrete charges in an extremely small size trench interact strongly with each other, hence the conventional Debye shileding assumption break down and the charged particles experience strongly spatiotemporal potential fluctuation during their flights. In a strongly coupled charged system, a simplified technique of coulomb summation for infinitely periodic systems are briefly reviewed and explained. We then introduce new phenomena during a charging process in a nano trench : charging potential fluctuation due to strong coulomb interaction without Debye shielding. In the first part of the subject, physics model and simulation method are shown. A simplified two-dimensional Monte Carlo simulation is performed to investigate the electric field fluctuations caused by strong Coulomb interactions between discrete particles in nanometer scale trenches. It is found that the discrete particle effect should be an important part of the nano-scale trench physics, raising the ion orbit scatterings in the trench, enhancing the ion deposition on the side walls, and dispersing the material contact energy of the incidence ions.
In the second topic, simulation of a large area capacitively coupled plasma requires large scale computational resource. It requires many particles and grids for the electric field calculation at an acceptable level. A high efficiency parallelized simulation code is inevitable both for particle push and field calculation.
For this purpose the particle-in-cell/Monte Carlo (PIC/MC) methods have been used extensively for the study of chlorine discharge plasma in CCP geometry. PIC/MC techniques have recently been applied with considerable success to model the glow discharges. These PIC/MC methods have been applied to mostly monatomic gas discharges such as atomic hydrogen, helium or argon , under the assumption that the neutral species is in motionless fluid equilibrium at uniform temperature and density. There are, however, situations in which such assumptions are too useful. In our study we introduce a particle simulation model for capacitively coupled chlorine discharges which considers motions and collisions of neutral particle species as well as charged particle species self-consistently. To simulate the long time evolution considering the transport of ions and neutral particles, we use a multi-time scale technique which iterates the first principle based full particle simulation to lift up the simulation in an accelerated mode.
본 논문은 크게 두 가지 주제로 이루어져 있다. 첫번 째 주제는 나노 미터 크기의 트렌치 내에서의 불연속 입자 효과에 대한 이론적인 연구 이고 두번째 주제는 LCD 공정을 위한 대면적 CCP 플라즈마에 대한 연구이다.
나노 트렌치 내에서의 대전현상에 대한 이해는 나노 공정 분야에서 성공적인 식각 공정을 위해 가장 중요한 과제 중의 하나이다. 본 연구에서는 대전 현상에 영향을 미치는 다양한 요인들 중에 불연속 입자들간에 작용하는 강한 쿨롱 상호작에에 대하여 조사하였다. 본 연구는 극도로 작은 크기의 트렌치 시스템이 티끌입자 플라즈마나 생체 시스템 등에서 발견되는 불연속 하전 입자 시스템과 매우 유사하지만 이에 대한 연구가 전무하다는 사실에 바탕하여 시작하게 되었다. 강한 상호작용을 하는 시스템에서의 쿨롱 힘 계산을 위한 무한 주기 시스템에서의 무한 합을 하는 방법이 간략히 소계 및 설명이 다루어져 있다. 다음으로 나노 트렌치에서의 새로운 현상을 소개하고자 한다. 간단히 소개하자면 강한 상호 작용에 의한 대전 전위의 요동이 그것이다. 본 주제의 첫번 째 부분에서는 물리적인 모델 및 전산 모사를 위한 방법이 소개 되어 잇다. 간략화 된 이차원 Mote Carlo 전산모사가 나노 트렌치에서의 강한 상호작용에 의한 전기장 요동을 계산하기 위하여 사용 되었다. 그 결과 불연속 입자 효과가 트렌치 내부에서 이온 궤적 산란을 증가시키고 측면 벽으로의 이온 축적을 강화하며 접촉 에너지의 분포를 분산 시키는 등 나토 트렌치 물리에서 중용한 부분임을 알게 되었다.
대면적 CCP 플라즈마에 대한 전산모사는 엄청난 양의 하드웨어 자원을 필요로 한다. 먼저 많은 양의 입자들과 관련한 변수들을 고려하여야 하며 전기장 계산을 위한 대량의 그리드를 수용할 수 있어야 한다. 이는 현재의 기술력으로는 한계가 있으며 입자 이동 및 전기장 계산을 위하여 고효율로 병렬화된 전산모사를 통해서만 가능하다. 본 연구에서는 먼저 PIC/MCC 계산에 대한 간략한 리뷰에 이어 입자 코드의 병렬화 과정 및 결과에 대한 검증 등이 이루어졌다. 이어 $Cl_2$ 기체 방전에 대한 연구를 위하여 PIC/MC 방법을 발전 시켰으며 이에 대한 자세한 설명이 다루어져 있다. PIC/MC 방법은 발광 방전에 대한 전산모사에 있어 큰 성공을 거두어 왔다. 하지만 이러한 연구는 대부분 수소, 헬륨, 아르곤과 같은 단일원자 기체에 대한 방전에 적용되어 왔으며 또한 중성 기체에 대한 균일한 밀도 및 온도에 대한 가정에 바탕하여 이루어져 왔다. 따라서 중성기체에 대한 충돌이나 수송에 관련된 계산이 고려되지 않은 결과만을 얻었다. 하지만 이러한 가정이 적용될 수 없는 경우가 많으므로 본 연구에서는 일관성 있는 입자 모델을 개발하였으며 이를 $Cl_2$ 기체 방전에 적용하였다. 실제 이온 및 중성기체의 수송을 포함한 플라즈마 평형 상태에 이르기 위해서 매우 ms 이상의 매우 긴 시간에 대한 전산모사가 필요하다. 이를 위하여 다중 시간 크기 전산 모사를 통한 가속 방법을 개발하였으며 이를 입자계산 코드 결과와의 비교를 통하여 검증하고 최적화 작업을 수행하였다.
