射频高气压混合气体放电数值研究

摘要

高气压射频放电是产生等离子体的一种普遍的技术手段，长期以来被广泛的应用在材料表面改性、刻蚀和薄膜沉积等技术领域中。由于氩气、氮气和氧气成本低廉，因此常被用来作为气体放电的工作气体。相对于纯单一气体的高气压射频放电，高气压混合气体射频放电的产生机理和放电现象更为复杂。此外，在高气压混合气体放电中的各种放电参数，特别是气体压强、驱动频率、混合气体比例等对放电技术有着至关重要的影响，掌握这种影响可以提高高气压混合气体放电的工艺性能。为此，本文采用数值模拟的方法对混合气体高气压射频放电过程进行了研究。
　　本文工作主要分两部分来研究高气压下的混合气体放电现象。第一部分工作基于一维流体模型对采用诱导等离子体放电方法的高气压氮气射频放电进行了数值模拟研究，具体研究包括两个方面:(a)研究了高气压氮气注入时间和初始诱导氩等离子体的压强对高气压氮气射频放电特性的影响;(b)研究了驱动频率对带有诱导氩等离子体的高气压氮气射频放电的影响;第二部分的工作主要数值研究了大气压氮气和氧气混合气体射频放电现象，具体包括两个方面:(a)研究了不同混合比例气体对射频大气压氮气和氧气混合气体放电特性的影响。(b)研究了在固定氮氧混合比例下的大气压射频混合气体放电初期的等离子体特性。
　　本文共分六章，每章内容如下:
　　第一章为绪论，主要介绍高气压放电和混合气体放电的研究历史与现状。
　　第二章，基于一维流体模型利用有限差分法对相应的方程组进行离散，并且运用Fortran编程语言对模型进行编程计算，从而得到在200 Torr气压下等离子体中的粒子密度、相应电子温度以及电场的空间分布。分别考虑了氮气的注入时间和初始诱导氩等离子体的压强对高气压氮气射频放电特性的影响。模拟结果显示，采用诱导氩等离子体放电方法可以在相对较低的条件下产生高气压放电等离子体。研究结果还表明，随着氮气注入时间的增加，等离子体密度先增加后趋于不变，电子温度先减少后趋于不变。随着初始诱导氩等离子体压强的增加，等离子体密度增加，电子温度下降。
　　第三章，基于一维流体模型继续研究了驱动频率对带有诱导氩等离子体的高气压氮气射频放电特性的影响。研究表明:当驱动频率从20MHz增加到100MHz时，电子密度、离子密度和中性粒子密度随着驱动频率的增加而增加。在此过程中，虽然电流密度发生了变化，但研究分析表明在整个过程中放电都处于稳定的α放电模式。随着驱动频率的增加，等离子体的电势、鞘层区域的电场强度和电子温度、等离子体区的长度增加，鞘层的厚度减小，等离子体区的电子温度有微小的下降。研究结果还表明在放电过程中，电子的产生率贯穿整个放电空间并且在鞘层区域出现峰值，这也进一步说明了放电是处于稳定的α模式放电。
　　第四章，由于氧气和氮气是空气的主要组成成分，因此研究大气压氮气和氧气的混合气体放电的特性对研究大气压空气放电有一定的帮助。本章利用一维流体模型，采用模拟方法研究了氧气所占比例对大气压氮氧混合气体射频放电的影响。研究结果表明随着氧气所占比例由4％增加到20％，电子和N4+离子的密度先减小后增加，O2+离子和O-离子密度增加，电子温度增加。当混合气体中氧气所占比例小于12％时，主要的负粒子是电子;当氧气所占比例大于12％时，主要的负粒子是O-离子。
　　第五章，基于一维流体模型，在这一章中对大气压氮氧混合气体放电做了进一步的研究，利用流体数值模拟的方法研究了包括13种反应粒子(例如:e，N2+，N4+，O2+，O-，O+，NO+，N2(A1∑+u)，N2(a'1∑u-)，O2(a1Δg)，O，N，NO)和73种反应过程的固定混合比例的大气压氮氧混合气体射频放电初期等离子体的特性。研究结果表明:在放电初期，负离子增加的速度要远大于其它的正离子增加的速度，电子增加的速度最慢，电子密度经历了先减小后缓慢增加的过程。在放电初期，主要的负粒子是O-离子，它比电子密度高3个数量级。研究结果还表明:电极间距对等离子体的特性有重要的影响，随着放电电极间距的增加，电子密度、N4+离子密度、O2+离子密度和O-离子密度增加。
　　最后，对全文进行总结并给出创新点和展望。

目录

声明

摘要

图表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 高气压气体放电的研究进展

1．2 混合气体放电研究概述

1．3 诱导气体放电方法研究概述

1．4 研究气体放电的数值方法

1．5 本文研究内容及研究目的

2 带有诱导氩等离子体的高气压氮气射频放电数值研究

2．1 引言

2．2 流体模型及数值方法

2．2．1 建立模型及模型基本假设

2．2．2 模型方程

2．2．3 数值计算方法

2．2．4 放电参数及边界条件的处理

2．3 氮气注入时间对氮气放电特性的影响

2．4 初始诱导氩等离子体压强对放电特性的影响

2．5 本章小结

3 驱动频率对带有诱导氩等离子的高气压氮气射频放电的影响

3．1 引言

3．2 流体模型及数值方法

3．3 氩原子的亚稳态粒子对放电特性的影响

3．4 驱动频率对粒子密度和电流的影响

3．5 驱动频率对场和电子温度的影响

3．6 本章小结

4 混合气体比例对大气压氮氧混合气体放电的影响

4．1 引言

4．2 理论模型

4．3 计算结果与讨论

4．4 本章小结

5 大气压氮气和氧气混合气体射频放电特性的数值模拟

5．1 引言

5．2 理论模型和计算方法

5．3 计算结果及讨论

5．4 本章小结

6 结论与展望

主要结论

对未来工作的展望

参考文献

附录A 氮气和氧气混合气体放电中的主要反应

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介