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大面积矩形表面波等离子体源的数值模拟

蓝朝晖  
【摘要】: 表面波等离子体(SWP)是由沿着介质-等离子体交界面传播的表面波电场产生和维持的等离子体。从上个世纪90年代以来,随着大规模集成电路、太阳能电池、平板显示器、微电子机械系统等领域的迅速发展,可用于大面积材料处理的SWP源受到了前所未有的关注。和其他的传统的等离子体源相比,SWP源有诸多优点,如不需要外磁场,无须电极,等离子体密度高,容易实现大面积等。由于SWP源复杂的天线阵列-表面波-等离子体耦合机制,迫切需要通过计算机数值模拟对相关物理问题进行研究以及对实体装置进行优化设计。 本文数值模拟的研究对象是大面积矩形SWP源,主要工作包括: 1、采用时域有限差分(FDTD)方法结合麦克斯韦方程组和冷等离子体模型模拟了任意天线激发的表面波传播。分别研究了等离子体密度、电子碰撞频率、石英玻璃厚度及介电常数、石英和天线之间有无空气间隙等对表面波传播的影响。结果显示,不同天线激发的表面波具有线性叠加性质,受到天线的影响表面波模式和本征模不一致;石英玻璃太厚、上方有空气间隙都不利于表面波的激发;当介质的相对介电常数在3.7左右时天线可以激发较强的表面波。 2、基于等离子体空间均匀分布和沉积功率水平面均匀分布两个假设模拟了SWP源均匀稳态工作时候的装置电磁场分布、等离子体密度和温度分布。分析了不同天线阵列对波导内电磁场、激发的表面波传播和微波功率沉积的影响。数值模拟发现,在1.0×10~(18) m~(-3)的等离子体密度附近,装置的微波功率反射率小于20%。当天线激发的表面波模式紧凑、强度大时微波功率反射率也较小。当装置均匀稳态工作时,在距离石英大约2-4 cm会出现电子密度峰值,且密度峰值位置随着气压增大而靠近石英。气压比较大时,会出现等离子体密度饱和现象。 3、用准稳态时间步进模型模拟了等离子体在表面波“推动”下的自发扩展过程,获得了自洽的等离子体电子密度、温度空间分布,分析了不同天线阵列、微波输入功率、气压、空气间隙等对等离子体自发扩展以及均匀性的影响。提出可以通过表面波行波而非驻波产生大面积表面波等离子体的观点。 4、用粒子模拟(PIC+MCC)方法研究了微波功率共振吸收问题。模拟得出的局部共振宽度和共振电场时空分布与解析理论计算完全吻合。根据模拟结果推算出SWP源共振宽度小于0.1 mm,且气压越大共振点越靠近石英玻璃。用二维PIC模拟了不同电子温度下的表面波传播,得出的表面波模式与基于流体的冷等离子体模型模拟结果完全相同。


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