低气压射频容性放电中二次电子和气体压强对等离子体特性影响的数值研究

摘要

容性耦合等离子体对等离子体刻蚀和材料表面改性有重要应用，因此长期以来一直都是研究的热点。容性耦合等离子体被广泛应用于等离子体化学沉积系统、射频溅射技术等工艺中的同时，也面临着许多新的考验，比如对刻蚀技术的刻蚀效率和各向异性的要求越来越高，而传统的单频容性耦合等离子体技术已经不能很好地实现对离子通量和能量的独立控制。基于人们对等离子体材料表面进行处理和改性日益增长的新要求，目前采用的解决方法是利用双频放电。
　　在双频容性耦合等离子体放电中，高频电源决定了等离子体的离子密度，而低频电源可以用来调制等离子体鞘层中的离子能量。双频放电中的各种放电参数，特别是双频驱动频率和气体压强等对放电技术有着至关重要的影响，深入地研究这些影响有利于进一步提高生产工艺水平。为此，本文采用了数值模拟方法对低气压氩气射频辉光容性耦合等离子体放电过程进行了研究，系统的研究了气体压强和双频频率的改变对放电中各个物理量影响的物理机理。
　　容性耦合等离子体放电中有两种不同的电子加热机理，分别为电子欧姆加热和电子压强加热。电子加热机理主要取决于一系列诸如电极间距、气体压强、驱动频率、放电电压等放电条件。而在放电过程中，二次电子发射系数对电子加热有着重要的影响。为此，本文研究二次电子对电场、电势和电子温度的影响，还重点研究了二次电子对电子压强加热和电子欧姆加热及电子加热的影响。本文的具体内容如下:
　　在第一章中，简要介绍了辉光放电原理和低气压容性射频放电等离子体的研究现状及其发展。
　　在第二章中，根据等离子体流体理论，在漂移扩散近似下，对容性耦合等离子体建立了一维流体模型并进行数值模拟。首先将方程组一维化，并根据所建立模型特点给出初始条件和边界条件。为了计算机计算的稳定性和准确性，再将方程组无量纲化，之后采用有限差分法求解方程。最后利用Fortran语言进行编程计算结果。
　　在第三章中，基于一维流体模型，研究了两个平行板电极之间的低气压氩气容性耦合射频辉光放电等离子体中，二次电子对放电等离子体特性的影响。模拟结果表明，二次电子对周期平均的电场几乎没有影响;对周期平均的电子温度的影响只发生在等离子体鞘层区;对周期平均的电离率，电子密度，电子电流密度，离子电流密度，总电流密度、电子能量损失、压强电子加热、欧姆电子加热、电子加热在整个放电区域都有影响，且在等离子鞘层区域的变化要强于等离子区域。
　　在第四章中，基于一维流体模型，研究了低气压氩气双频射频容性耦合辉光放电等离子体中，气体压强对放电特性的影响。模拟结果表明，气体压强对周期平均的电子温度、等离子体密度和电离率，电极表面的离子电流密度和离子能量密度都有影响;压强的改变使得周期平均电场具有复杂的变化行为且变化主要发生在等离子体鞘层区域;压强对周期平均的电子压强加热、电子欧姆加热、电子加热和电子能量损失都有影响，而且电子加热在两个鞘层区域各出现两个峰值，且随着气体压强的增加，峰值逐渐变大，并向电极方向上移动。
　　在第五章中，基于一维流体模型，研究了双频射频容性耦合辉光放电等离子体中驱动频率对等离子体放电特性的影响。结果表明，在达到稳定状态下，所有等离子体参数的周期平均都是对称的。低频对电子密度、电子温度、电场、电势和电离率没有影响，对周期平均的电子压强加热，电子欧姆加热和电子加热只在等离子体鞘层区有影响。高频对电子温度、电场和电势的影响也不大，但电子密度、电离率、电子压强加热、电子欧姆加热和电子加热会随着高频的增加而增加。
　　最后，对全文进行总结并提出创新点和展望。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1绪论

1．1低温等离子体应用

1．2低温等离子体

1．2．1等离子体的描述

1．2．2产生等离子体的方法

1．2．3辉光放电的原理及产生条件

1．3射频容性辉光放电等离子体的研究现状及其发展

1．3．1等离子体源简介

1．3．2射频容性耦合等离子体的性质

1．3．3 CCP理论与模拟研究进展

1．3．4 DF-CCP的研究进展

1．3．5 CCP放电中电子加热机制的研究进展

1．4本文的内容和安排

2流体模型的建立和数值模拟方法

2．1低温等离子体的数值模拟方法

2．2低气压射频放电流体模型的建立和数值模拟方法

2．2．1流体模型建立的条件

2．2．2流体方程组

2．3模型的数值求解

2．3．1一维磁流体方程组

2．3．2初始条件和边界条件

2．3．3模型无量纲化

2．3．4有限差分

2．3．5计算步骤

2．4本章小结

3单频CCP中二次电子对等离子体特性影响

3．1引言

3．2数值结果与讨论分析

3．2．1 SEE对电场，电子温度，电离率和电子密度的影响

3．2．2 SEE对粒子电流密度的影响

3．2．3 SEE对粒子通量的影响

3．2．4 SEE对粒子加热和能量损失的影响

3．3本章小结

4双频CCP中气体压强对等离子体特性的影响

4．1引言

4．2数值结果与讨论分析

4．2．1气体压强对粒子密度的影响

4．2．2气体压强对电离率的影响

4．2．3气体压强对离子电流密度和能量密度的影响

4．2．4气体压强对电子温度和电场的影响

4．2．5气体压强对电子加热和能量损失的影响

4．3本章小结

5双频CCP中驱动频率对等离子体特性的影响

5．1引言

5．2数值结果与讨论分析

5．2．1双频对等离子体电子密度，电子温度，电场和电势的影响

5．2．2双频对等离子体加热机制和电离率的影响

5．3本章小结

6结论与展望

6．1结论

6．2创新点

6．3展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介