Kinetic Simulation of Gas Breakdown in Narrow Holes

Abstract

Gas breakdown, which has been studied throughout history, is the foundational knowledge in plasma physics. However, understanding complex discharges in realistic situations remains a challenging task. Particularly, comprehending gas breakdown in narrow hole structures, especially in the presence of background plasma, is crucial for mitigating unintended arcing in semiconductor fabrication devices. In this study, we conducted controlled experiments and combined them with two-dimensional plasma kinetic simulations to comprehensively investigate the fundamental physics of gas breakdown in high aspect ratio hole structures. One of the key findings is that in narrow structures, the major source of secondary electrons shifts from ion-induced emission at the cathode to electron-induced emission from the walls. Furthermore, by simulating the presence of background plasma near the narrow holes, we observed a significant decrease in breakdown voltage, leading to the occurrence of unintended discharges, which was consistent with experimental observations. Through kinetic simulations, we demonstrated that the initial electron avalanche process caused by the influx of charged particles from the background plasma contributes to the accumulation of local space charge and the distortion of the electric field inside the hole. Since the ionization coefficient is nonlinearly proportional to the electric field strength, this distorted electric field profile leads to enhanced electron multiplication even at lower applied voltages, resulting in a reduced breakdown voltage.

오랜 역사 속에서 연구되어 온 기체 방전은 플라즈마 물리학을 이해하는 것에 있어 가장 기초적인 지식이지만, 현실 속 다양한 상황에 서의 복잡한 방전을 이해하는 것은 여전히 어려운 과제이다. 대표적으로, 좁은 홀 구조물에서의 기체 방전 현상을 이해하는 것은 배경 플라즈마가 존재하는 반도체 제조 장치에서의 의도하지 않은 아킹 현상을 해소하는 것에 있어 필수적이다. 본 연구에서는 제어된 실험환경을 구축하고, 2차원 플라즈마 동역학 시뮬레이션을 결합해 높은 종횡비를 가진 좁은 홀 구조에서의 기체 방전의 기초 물리학을 복합적으로 연구하였다. 결과 중 하나로, 좁은 구조물에서는 이차전자의 주요 공급원이 음극에서의 이온 유도 방출이 아닌 벽면에서의 전자 유도 방출이 됨을 확인하였다. 또한, 좁은 구멍 근처에 배경 플라즈마가 존재하는 상황을 모사해, 이 때 방전 전압이 크게 감소하여 의도하지 않은 방전이 쉽게 발생할 수 있음을 실 험과 동역학 시뮬레이션에서 모두 확인하였다. 시뮬레이션 연구를 통해, 배경 플라즈마에서 홀 내부로 유입되는 하전 입자들에 의한 초기 전자 사태 과정이 홀 내부의 공간 전하 축적에 기여하여 전기장의 왜곡을 유발한다는 것을 확인하였다. 기체 방전의 이온화 계수는 전기장 세기에 비선형적으로 비례하므로, 이렇게 왜곡된 전기장 분포는 낮은 인가 전압에서도 높은 전자 증배를 유도해 방전 전압을 낮출 수 있음을 확인하였다.