본 연구에서는 플라즈마 모델링을 통해 공정 가스로 사용되는 CF₄ 플라즈마의 유도 결합 방전 특성을 분석하였다. 모델링은 플라즈마 내 화학을 다루는 0D 전역 모델과 플라즈마 전력 전달 효율을 다루는 변압기 모델을 사용하였다.
0D 전역 모델은 유도 결합 플라즈마 (ICP)에서 압력 및 입력 전력에 따른 전자 온도 및 종의 밀도 변화를 확인하기 위해 각 종의 입자 균형 방정식과 전력 균형 방정식을 사용하여 계산되었다. 반응률 계산을 통해 CF₄ 플라즈마 공정에서 중요한 역할을 하는 CF₃, CF₂, CF의 생성 및 손실에 대한 지배적인 반응을 조사하였다. 이들은 각각 주로 플라즈마 벌크 내 CF₄, CF₃, CF₂의 전자 충돌 해리에 의해 생성되고 벽에서 F와의 재결합을 통해 손실되는 것으로 확인되었다. 하지만 CF₂의 경우, 다른 종과는 달리 10 mTorr 이상의 압력에서는 음이온 (F-) 및 양이온 (CF₃+)의 재결합 반응으로 주된 생성 반응이 변화하였다. 플라즈마 특성에 따른 중성 및 이온 종의 밀도 변화를 알아보기 위해 전자 밀도와 전자 온도를 입력 변수로 사용하여 입자 균형 방정식 계산으로만 다루는 전역 모델을 제시하였다. 이는 플라즈마 발생 방법 및 유형과 무관하게 플라즈마 특성을 이해하는 방법으로 사용될 수 있다. 제시된 모델의 계산 결과로부터, CF₄ 플라즈마 내 중성 및 이온 종은 전자 밀도보다 전자 온도 변화에 더 민감하다는 것을 확인할 수 있었다.
ICP에서 흡수된 전력을 분석하기 위해 ICP를 회로 모델로서 표현하는 변압기 모델을 도입하였다. 기존 모델은 침투 깊이가 매우 짧은 가정 하에 회로 요소를 기하 변수로 표현하여 높은 전자 밀도 영역에서만 적용될 수 있다는 한계가 있다. 본 연구에서는 낮은 전자 밀도에서도 적용할 수 있는 개선된 변압기 모델을 제시하였다. 제안된 모델은 전기장의 간단한 분석적 표현인 1차원 쌍곡선 사인 함수를 사용하여 각 경계에서 전파되는 전기장이 중첩되는 유한 기하학에서 플라즈마를 처리할 수 있다. 이 전계 표현을 기반으로 변압기 모델의 회로 구성 요소인 플라즈마 저항, 플라즈마 인덕턴스 및 상호 인덕턴스들을 전자 밀도의 함수로 구하였다. 그 결과 제안된 모델에서의 계산된 회로 요소 및 흡수 전력은 높은 전자 밀도뿐만 아니라 낮은 전자 밀도에서도 맥스웰 방정식의 해로부터 얻은 것들과 비교하였을 때 잘 일치함을 보여주었다. 또한 압력이나 주파수를 달리 하였을 때도 그 결과는 일치한다.
전역 모델과 변압기 모델을 결합하여 대면적 공정용 소스로서 두 개의 ICP 소스에 대한 병렬화 기작 및 특성을 이론적으로 분석하였다. 결합된 모델을 통해 고정된 인가 전력 및 압력 조건에서 시간에 따른 플라즈마 변수 및 전기적 변수를 계산하였고, 플라즈마 상태 차이 및 외부 코일 특성 차이에 따라 ICP 병렬화 기작의 변화를 확인하였다. 그 결과 모든 조건에서 두 ICP 모두 동일한 상태로 수렴하는 것을 확인하였다. 하지만, 고밀도 및 저밀도 영역에 따라 플라즈마 변수 및 전기적 변수가 수렴하는 기작에는 차이를 보였다. 또한, 흡수된 전력은 전류보다는 소스 저항의 의존성이 더 높았다. 코일의 저항 및 인덕턴스의 차이에 따라 각각의 그 기작은 다르지만, 흡수된 전력 및 전자 밀도의 차이를 초래한다는 것을 확인하였다. 전자 온도의 경우 다른 변수들과는 달리 코일의 특성 변화에 의존하지 않는 것을 알 수 있었다.
고밀도 플라즈마에서의 중성 가열 및 다중 하전된 이온의 특성을 조사하였다. 단순한 모델을 통해 입자 균형 방정식으로부터 전자 밀도에 따른 가스 및 이온의 밀도, 전자 온도 및 가스 온도의 변화를 확인하였다. 높은 전자 밀도를 가진 조건에서는 이온의 밀도가 증가함에 따라 가스 및 이온의 생성 및 소멸 기작이 변하고, 이는 가스 온도의 급격한 증가와 가스 밀도의 손실, 높게 하전되는 이온의 비율을 높이는 것을 알 수 있었다.