低温等离子体磁鞘特性的研究

【摘要】：等离子体鞘层在等离子体材料表面改性、合成薄膜及刻蚀等工艺中发挥着积极的作 用,研究鞘层的特性对控制等离子体鞘层环境、促进等离子体工艺技术的发展具有重要 的意义。在等离子体鞘层的研究工作中存在以下几个问题:1、 磁场的影响是不可忽略 的,然而磁场的引入又会使问题更加复杂。目前对等离子体磁鞘的研究工作开展得还很 不充分,鞘层中直接影响等离子体薄膜沉积和刻蚀质量的特性参数,如鞘层内的电场、 离子密度和电子密度等,以及磁场对这些参数的影响都没有得到详尽地说明与讨论。2、 等离子体鞘层中常常出现负离子,研究负离子对磁鞘结构的影响也具有重要的意义。3、 高频放电或微波放电的等离子体应用比直流放电更广泛,而射频鞘层的特性以及电子、 离子在其中的行为又在很大程度上决定着发生在材料表面的物理、化学过程,直接影响 产品的质量,然而至今研究射频等离子体磁鞘的工作却不多。4、 尘埃粒子广泛存在于 宇宙空间、实验室等离子体装置以及材料的等离子体处理环境中。尘埃粒子的存在显著 地改变等离子体鞘层的性质,直接污染加工材料。了解和控制尘埃在等离子体磁鞘中的 运动,有利于利用和消除尘埃,有助于解决利用外磁场实现控制工艺的一些问题。 针对以上问题,我们建立一个一维坐标空间三维速度空间的斜磁场作用下的等离子 体鞘层物理模型。用流体方法数值模拟了电子离子磁鞘和电负性磁鞘的结构,分析了鞘 层的特性和磁场的影响。然后将等离子体直流磁鞘的研究工作扩展到应用广泛的等离子 体射频磁鞘,分析了射频等离子体鞘层内特征参数的变化和基板上的离子能量分布,研 究了磁场对射频鞘层的影响。最后分别使用磁流体描述方法和单粒子描述方法,研究斜 磁场作用下等离子体鞘层中的尘埃特性,讨论磁场对尘埃等离子体鞘层结构的影响,对 尘埃粒子的运动状态及平衡位置的影响,以及对尘埃晶格的影响。 研究结果表明:磁场洛仑兹力的作用的确改变了带电粒子(这里主要研究的是离子 和尘埃)的运动状态,使其偏离了初始方向。根据我们采用的数据,弱磁场时,离子处 于弱磁化状态;强磁场时,离子被磁化;极强磁场时,尘埃会部分磁化。对于只有x轴 方向初始速度的离子,由于非恒定大小的电场力的作用以及鞘层厚度的限制,密度分布 没有产生规则性的振荡,只是短暂的上升后就一直下降,磁场z轴分量的大小是使鞘层 结构发生变化的主要原因;对于初始速度具有平行基板方向分量的离子,适当的条件下 离子会产生暂时的聚集,密度增大,分布曲线产生周期性的振荡。正离子的密度分布变 化通过泊松方程作用于电子和负离子,使电子和负离子的密度分布也产生变化,对磁场 产生间接的反映。由于粒子间的相互作用,负离子的存在影响了正离子的密度分布。无 低温等离子体磁鞘特性的研究 磁场时,射频鞘层的电势随时间呈周期性的余弦变化,鞘层内电子响应瞬时外加射频场。 当外加射频频率远大于离子等离子体频率,离子响应平均场,离子的密度分布几乎不随 时间变化;当外加的射频频率远小于离子等离子体频率,离子密度分布响应瞬时外加射 频场,呈明显的周期性振荡。有磁场的时候,在鞘层内靠近基板的区域,离子密度分布 是否瞬时响应射频场仍由频率比值的高低来决定;在鞘层内靠近等离子体部分的区域, 由于磁场的影响,离子密度分布的变化与我们在研究电子离子磁鞘时得到的结果相似。 打到基板上的离子的偏移角具有周期性的变化,并且随着磁场平行基板方向分童的增大 而增大。磁鞘中的尘埃粒子在洛仑兹力的作用下,密度分布也产生变化,随着磁场平行 基板分量值增大,尘埃在磁鞘中的悬浮位置将远离基板。尘埃晶格结构的决定因素是系 统能量,能量越低系统越稳定。垂直磁场的作用不改变尘埃晶格的结构,它使晶格整体 旋转了一个角度。尘埃晶格没有真正地旋转起来的原因可能是模型中没有考虑离子拖拽 力的影响。 关键词:等离子体;磁鞘;射频;尘埃;晶格