射频放电等离子体过程

1、论文（设计）研究目标及主要任务

近些年来，等离子体的研究受到高度关注，由射频放电方式产生的低气压、高密度等离子体在新材料的制备及材料表面改性等工艺中得到了越来越广泛的应用，为了控制离子入射到极板上的行为，通常在极板上施加一射频(RF)偏压，从而在极板附近形成一射频等离子体鞘层。本课题将对离子在射频鞘层中的运动行为进行跟踪研究，力求找到等离子体中各基本粒子随射频频率变化而引起的分布情况。利用流体力学方程，将采用一个自洽的无碰撞射频等离子体鞘层动力学模型实施数值模拟。

2、论文的主要内容

介绍等离子体的概念；等离子体的流体力学理论；对射频等离子体放电的流体动力学模拟射频等离子体鞘层动力学模型给予论述。对模拟结果进行分析研究，为其应用提供理论基础。

3、论文的基础条件及研究路线

根据现有的研究成果，描述任意频率段的射频鞘层演化过程以及对射频放电的物理过程进行分析计算,并指明今后的研究方向。

4、主要参考文献

[1] 居建华．氮对类金刚石薄膜的微观结构内应力与附着力的影响[J]．物理学报，2000，49(11)：2310-2314．

[2] 马锡英．氮化硼薄膜的生长特性粘附性研究[J]．物理学报，1998，304(05)：3-101．

[3] 戴忠玲．射频等离子体鞘层动力学模型[J]．物理学报，2001，50(12)：2399-2402．

[4] Hua-Tan Qiu．Collisional effects on the radio-frequency sheath dynamics[J]．Journal of applied physics，2002，51(06)：1332-1337．

[5] 朱武飚．负偏压射频放电过程的流体力学模拟[J]．物理学报，2000，45(07)：1138-1145．

[6] 马腾才．等离子体物理原理[M]．合肥市：中国科学技术大学出版社，1988：1-2 32．

指导教师：高书侠 2011 年 1 月 2 日

教研室主任：李玉现 2011 年 1 月 2 日河北师范大学本科生毕业论文文献综述

河北师范大学本科生毕业论文翻译文章

目录

中文摘要、关键词 (Ⅱ)

1、引言 (1)

2、等离子体的概念 (2)

3、等离子体的流体力学理论 (2)

3.1双流体理论 (2)

3.2单流体理论 (3)

4、射频等离子体放电的流体动力学模拟 (4)

4.1理论模型 (4)

4.2数值结果与分析 (8)

5、射频等离子体鞘层动力学模型 (10)

5.1理论模型 (10)

5.2数值结果 (12)

6、结论 (13)

参考文献 (15)

英文摘要、关键词 (16)

射频放电等离子体过程

摘要:本文采用流体力学的方法研究了负偏压射频放电的物理过程，在不同的近似条件下，计算了带电粒子的密度及电场的时空分布，数值结果表明,电极附近存在一明显的离子鞘层区，在该区内，电子密度迅速减小并趋于零，而离子的密度则明显不为零。在鞘层区以外，是电子和离子密度相等并接近空间均匀等离子区。鞘层区内，由于离子密度与电子密度不相等，形成了一个空间电荷区，从而具有较强的鞘层电场，而等离子区内，电场较弱，且是均匀分布的。同时在流体力学方程的基础上建立了一种自洽的无碰撞射频等离子体鞘层动力学模型。这种自洽性是指由于考虑了瞬时鞘层电场对离子运动的影响,因此该模型适用于描述任意频率段的射频鞘层演化过程。采用数值方法模拟出鞘层内离子密度的时空变化。结果表明,当射频场的频率小于或等于离子等离子体频率时,离子流密度明显地随时间变化。

关键词:射频,放电,鞘层,流体力学

射频放电等离子体过程

1引言

近几年来，由射频放电方式产生的低气压、高密度等离子体在新材料的制备及材料表面改性等工艺中得到了越来越广泛的应用，例如采用这种等离子体可以合成薄膜材料[1-2]以及对金属和半导体薄膜等进行刻蚀[3]。在等离子体加工过程中，工艺的质量在很大程度上取决于等离子体和工件的相互作用过程，离子入射到极板上的能量分布和角度分布是两个关键的物理量，它们直接决定着刻蚀的异向性和刻蚀率的大小。为了控制离子入射到极板上的行为，一般在极板上施加一射频(RF)偏压，从而可以在极板附近形成射频等离子体鞘层[4]。当离子从等离子体中穿越鞘层向极板运动时，将受到射频鞘层电场的加速，并以一定的能量和角度轰击到极板的表面上。离子在射频鞘层中的运动行为，不但受到等离子体参量的影响，而且受到外加射频场的调制。因此研究射频放电的物理机制及放电参量对加工过程的影响是十分必要的。

人们在研究射频放电的物理过程时，采用了许多方法，如Lieberman和Godyak等的解析模型[4]。在这种方法中他们把整个放电室分成鞘层区和准中性的均匀等离子体区并对鞘层区的电子密度进行了唯象假定，从而解析地研究了鞘层的演化过程。然而，事实上电子在鞘层中的分布是连续的，很难准确地区分鞘层区和等离子区。这种方法对他们之间的过渡区难以准确的分析，而且为了能够解析求解，此方法假定较多。目前采用较多的是较为严格流体力学模拟方法[5]。由于在等离子体中，电子和离子的运动状态近似于流体，通常把等离子体看作一种双流体，采用了流体力学方程组对其进行分析研究。在这种方法中，对电子的动量平衡方程基本上都采用迁移-扩散近似，其主要差别在于对离子的动量平衡方程所作的不同近似。因此，上述方法都有一定的不足之处。本文在第四部分采用较为严格的离子动量平衡方程和比较合理的边界条件，对射频放电的物理过程进行分析计算。

同样人们在对射频鞘层研究中，也做出了不同程度的近似。当外加射频场的频率远小于离子等离子体频率时，瞬时电势决定了鞘层中离子运动，此时每一时刻的射频鞘层特性和电势为相应值的直流辉光放电的鞘层特性一样。Metze等提出的一种模型描述了这种低频的离子运动。当外加射频场的频率远大于离子等离子频率时，离子不能及时响应射频电场的变化.对这种高频的情况，Godyak和Sternberg假定鞘层中的平均电场决定离子的运动，并采用阶梯模型来描述鞘层内电子的密度分布，从而得到无碰撞射频鞘层演化方程的解析解。为了避免阶梯模型给电子密度分布带来的不精确性，研究者假定鞘层内的电子密度分布服从Boltzmann分布，并且建立了自洽的鞘层厚度演化方程。然而，对于中低频范围的外加射频场，不容易得到鞘层演化方程的解析解。对于这种情况，离子对射频电场的变化只是部分响应的。Miller和Riley提出一个“衰减势”模型来研究