（等离子体物理专业论文）低温等离子体磁鞘特性的研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 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量的增大 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 i i 大连理工大学博士学位论文 创新点摘要 创新点1 ： 本文数值模拟了斜磁场作用下的等离子体直流鞘层结构( 包括电子离 子磁鞘和电负性磁鞘) ，分析磁场对鞘层内各个参数的影响。这部分工作中 电子离子磁鞘的工作不同于已有的工作( 已有的工作研究对象是磁预鞘或 未被磁化的磁鞘) ，电负性磁鞘的工作在先前的理论工作中没有做过。 创新点2 ： 本文数值模拟了斜磁场作用下平板型等离子体射频鞘层结构，分析磁 场对鞘层结构、基板上的离子能量、离子入射角韵影响。这项工作在先前 的理论工作中没有做过。 创新点3 ： 本文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 的尘埃等离子体磁鞘中的尘埃特性，包括磁鞘中尘埃粒子的密度分布、运 动形态、平衡位置等。这项研究工作在先前的理论工作中没有做过。 大连理丁大学博士学位论文 a b s t r a c t p l a s m as h e a t hp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt h et e c h n i q u eo fp l a s m a r e s e a r c h i n g c h a r a c t e r i s t i co fp l a s m as h e a t hh a sv e r yi m p o r t a n ts e n s ei nc o n t r o l l i n gp l a s m as h e a t h e n v i r o n m e n ta n dp r o m o t i n gd e v e l o p m e n to fp l a s m ap r o c e s s t h e r ea r es o m ep r o b l e m si n t h e s er e s e a r c hw o r k s f i r s t ，t h ee f f e c t so fm a g n e t i cf i e l dc a n n o tb ei g n o r e d b u tt h ei n t r o d u c e o fm a g n e t i cf i e l dm a k e st h ep r o b l e m sm o r ec o m p l i c a t i o n ，t h er e s e a r c hw o r ka b o u tp l a s m a m a g n e t i cs h e a t hh a sn o tb e e nd e v e l o p e de n o u g h t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp a r a m e t e r s ，w h i c h a f f e c tt h ep l a s m ad e p o s i t i o na n de t c h i n gd i r e c t l y , h a v en o tb e e nd i s c u s s e di nd e t a i l s e c o n d t h er e s e a r c hw o r ka b o u tt h ee f f e c t so fn e g a t i v ei o n so nt h es h e a t hs t r u c t u r eh a sv e r yi m p o r t m e a n i n ga l s o t h i r d ，r a d i of r e q u e n c yd i s c h a r g e dh a sm o r ew i d e l ya p p l i c a t i o nt h a n d c d i s c h a r g e t h ec h a r a c t e r i s t i co fr fs h e a t h , t h ea c t i o no fe l e c t i o n sa n di o n si nt h es h e a t h d e c i d et h eq u a l i t yo fp r o d u c t i o n sd i r e c t l y u n t i ln o wt h e r ei ss e l d o mr e s e a r c hw o r ko nt h er f p l a s m am a g n e t i cs h e a t h f o r t hc h a r g e dd u s tg r a i n se x i s tw i d e l yi ns p a c e ，l a b o r a t o r ya sw e l l a si n d u s t r i a lp l a s m ad e v i c e s t h ee x i s t e n c eo fd u s tg r a i n sc o u l dc h a n g et h ec h a r a c t e r i s t i co f p l a s m as h e a t he v i d e n t l y , a n dp o l l u t ep r o c e s sm a t e r i a l s k n o w i n ga n dc o n t r o l l i n gt h em o t i o n o fd u s t si nt h ep l a s m as h e a t h ，w o u l db ep r o p e r t i e st ou s ea n de l i m i n a t ed u s t s ，a sw e l la st o s o l v et h ep r o b l e m so f r e a l i z i n gc o n t r o lp r o c e s sw i t he x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d i na l l u s k 、nt ot h e s ep r o b l e m s ，ap l a s m as h e a t hm o d e li na no b l i q u em a g n e t i cf i e l d ，w h i c h h a soned i m e n s i o nc o o r d i n a t es p a c ea n dt h r e ed i m e n s i o n ss p e e ds p a c e ，h a sb e e nb u i l d t h e s t r u c t u r eo fe l e c t r o s t a t i cp l a s m am a g n e t i cs h e a t ha n de l e c t r o n e g a t i v ep l a s m am a g n e t i cs h e a t h a r en u m e r i c a ls i m u l a t e db yf l u i dm e t h o d t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h es h e a t ha n dt h ee f f e c t so f t h em a g n e t i cf i e l dh a v eb e e nd i s c u s s e d a f t e rt h a t ，t h er e s e a r c hw o r ko fd c p l a s m am a g n e t i c s h e a t hh a sb e e ne x p a n d e dt ot h er fp l a s m am a g n e t i cs h e a t h ，w h i c hi sw i d e l yu s e d i nt h ee n d ， t h ec h a r a c t e r i s t i co fd u s tg r a i n si nt h ep l a s m as h e a t h ，w h i c hi na no b l i q u em a g n e t i cf i e l d ，h a s b e e ni n v e s t i g a t e db yf l u i dm e t h o da n ds i n gp a r t i c l em e t h o dr e s p e c t i v e l y t h ee f f e c t so f m a g n e t i cf i e l do nt h es t r u c t u r eo ft h ed u s tp l a s m as h e a t h ，o nt h em o t i o n sa n de q u i l i b r i u m p o s i t i o no f d u s tg r a i n s ，o nt h ed u s tc r y s t a l s ，h a v eb e e na n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h el o r e n t zf o r c eo fm a g n e t i cf i e l dc h a n g e st h em o t i o ns t a t u so f c h a r g e dp a r t i c l e s ( h e r em a i n l ya r ei o n sa n dd u s t s ) r o u g h l ys p e a k i ：。g ，w h e nt h em a g n e t i c f i e l di sw e a k ，e l e c t r o n sa r em a g n e t i z e dw h i l ei o n sa r ew e a k l ym a g n e t i z e d w h e nt h e i t i 低温等离子体磁鞘特性的研究 m a g n e t i cf i e l di ss t r o n g ，e l e c t r o n sa n di o n sa r em a g n e t i z e dw h i l ef i n ep a r t i c l e sa r en o t m a g n e t i z e d w h e nt h em a g n e t i cf i e l di su l t r a - s t r o n g ，d u s tp a r t i c l e sa r ew e a k l ym a g n e t i z e d t h em a g n e t i cf i e l di nzd i r e c t i o n ( p a r a l l e lt ot h eb o a r d ) i st h em a i nr e a s o nf o rc h a n g i n g s h e a t hs t r u c t u r e t h ee x i s t e n c eo fn e g a t i v ei o n h a se f f e c t so np o s i t i v ei o nd e n s i t yd i s t r i b u t i o n b e c a u s eo f i n t e r a c t i o no f p a r t i c l e s w i t h o u tm a g n e t i cf i e l d ，p o t e n t i a lo f t h er fs h e a t hm a k e sa p e r i o d i c i t yc o s i n ec h a n g ew i t ht h et i m e ，a n dt h ee l e c t r o n si nt h ep l a s m as h e a t ha n s w e rt h e e x t e r n a li n s t a n t a n e o u sr ff i e l d w h e nt h ee x t e r n a lr ff r e q u e n c yi sm u c hb i g g e rt h a ni o n p l a s m af r e q u e n c y , i o n sa n s w e ra v e r a g ef i e l d w h i l et h ee x t e r n a lr ff r e q u e n c yi sm u c h s m a l l e rt h a ni o np l a s m af r e q u e n e y , i o n sa n s w e re x t e r n a li n s t a n t a n e o u sr ff i e l d w i t h m a g n e t i cf i e l d ，i nt h er e g i o nn e a rt h ee l e c t r o d e ，w h e t h e ri o nd e n s i t yd i s t r i b u t i o na n s w e r st h e i n s t a n t a n e o u sr ff i e l dd e p e n d so nt h er a t i oo ff b q u e n c y ，w h i l ei nt h er e g i o nn e a rt h ep l a s m a ， t h ec h a n g eo fi o nd e n s i t yd i s t r i b u t i o ni ss i m i l a rt ot h es o l u t i o no fe l e c t r o s t a t i cp l a s m a m a g n e t i cs h e a t h i o nd e p a r t u r ea n g l ec h a n g e sp e r i o d i c i t y , a n di n c r e a s e sw i t ht h em a g n e t i c f i e l di np a r a l l e lb o a r dd i r e c t i o n w i t ht h ee f f e c t so fl o r e n t zf o r c e ，d u s t sd e n s i t yd i s t r i b u t i o n c h a n g e s t h es u s p e n d e dp o s i t i o no f d u s tp a r t i c l e si nt h em a g n e t i cp l a s m as h e a t hi sa w a yf r o m t h eb o a r dw h i l et h ep a r a l l e lv a l u eo fm a g n e t i cf i e l di n c r e a s e s t h ed e c i s i v ef a c t o ro fd u s t c r y s t a ls t r u c t u r ei ss y s t e me n e r g y a sw ea l lk n o w , t h es y s t e me n e r g yi sm u c hl o w e r ，t h e s y s t e mi sm u c hm o r es t a b l e t h ev e r t i c a lm a g n e t i cf i e l dc a n n o tc h a n g et h es t r u c t u r eo fd u s t c r y s t a l ，b u ti tm a k e st h ec r y s t a lr o t a t ef o ra na n g l e t h er e a s o nf o r t h ec r y s t a ld o e sn o tr e a l l y r o t a t ei sp r o b a b l yt h a tt h em o d e ld o e sn o tc o n s i d e rt h ee f f e c t so fi o n d r a gf o r c e k e y w o r d s ：p l a s m a ；m a g n e t i cs h e a t h ；r a d i of r e q u e n c y ；d u s t ；c r y s t a l 大连理工大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 等离子体磁鞘的研究背景及意义 在等离子体发生装置中，由于电子比离子扩散得快，容器壁上会累积大量的负电荷， 在容器壁的附近会形成正的空间电荷层，屏蔽壁上负电荷形成的电场，这个厚度约为德 拜长度m 量级的非电中性区域就是等离子体鞘层蚴( 图i 1 ) 。鞘层的作用o 是形成势垒一 使较易迁移的属种( 通常为电子) 受到静电限制，势垒的高度会自身调节，使有足够能 量越过势垒到达壁的电子通量恰好等于到达壁的离子通量。目前广泛应用的等离子体材 料表面改性、合成薄膜及等离子体刻蚀等工艺过程，都是通过在被加工的工件上施加一 个负偏压使工件表面形成等离子体鞘层实现的。 4 $ = 0l 主 + i 7 心 0 图1 1 等离子体在接近壁处形成鞘层。 f i g ，1 1p l a s m a s h e a t hi sf o r m e dn e a rt h ew a l l 鞘层的特性，如鞘层内的电场分布、鞘层厚度及入射到工件表面的离子能量分布、 角分布和粒子密度分布等，直接影响等离子体工艺过程，影响等离子体薄膜沉积”和 刻蚀8 。”的质量。鞘层中的离子在鞘层电场的加速下入射到工件表面，并与固体( 工件) 中的原子发生一系列的弹性或非弹性碰撞，因此材料表面改性的程度及合成新材料的性 质主要取决于材料表面与离子鞘层的相互作用过程( 如离子在固体表面层内的注入过 程、固体原子的移位及溅射过程、二次电子的发射过程等) 。因此，自从i 9 2 9 年l a n g m u i r ”“ 提出等离子体鞘层的概念以采，等离子体鞘层的物理特性就一直是个热点研究问题。因 为具有重要的意义和价值，研究人员已经对此开展了大量的理论和实验研究工作。 低温等离子体磁鞘特性的研究 到目前为止，对无外加磁场的等离子体鞘层的研究已经很透彻了，但对于等离子体 磁鞘，由于磁场引起的各项异性使分析处理非平面几何模型和动力学模型非常困难，甚 至是对于最简单的尺度较大的平面等离子体模型，也没有很好的确定性的结论。很多情 况下，磁场的影响是不可忽略的，在磁场等离子体探针理论研究中，由于引入磁场，改 变了流向探针表面的离子能量。在磁约束核聚变反应堆( t o k a m a k ) 的研究中，研究磁 场中等离子体与装置表面的相互作用对解决装置的表面侵蚀问题具有重要意义。此外， 带电粒子在斜磁场中的运动直接影响了材料表面特性。与无外加磁场的鞘层相比，磁场 中的等离子体作用比较复杂。系统地研究等离子体磁鞘的结构、了解磁鞘等离子体动力 学、详尽地描述磁鞘中各种参数的物理特性，对熔化物理方面金属电极板转向的设计、 t o k a m a k 探针的正确描述等问题是非常重要的，此外，针对磁鞘问题的研究，还有助于 解决利用外磁场实现控制工艺的一些闯题。 1 2 等离子体磁鞘的研究现状 1 9 8 2 年c h o d u r a “6 1 首先研究了斜磁场下的鞘层特性，在先前的鞘层研究工作。7 ”3 基础上，以动力学为基础，使用p i c ( p a r t i c l e i n c e l l ) 方法数值模拟了磁场中 无碰撞的等离子体鞘层，计算了磁场与平板法线的夹角在0 。到9 0 9 之间的导电平板鞘层 电势。c h o d u r a 得出如下结论：等离子体与一个吸收性能好的壁之间的传输层 ( t r a n s i t i o nl a y e r ) ( 图1 2 ( e ) ) 是由一个尺度为离子回旋半径量级的磁预鞘 ( m p s - - m a g n e t i cp l a s m as h e a t h ) 和尺度为几个德拜( d e b y e ) 长度的德拜鞘组成的。 c h o d u r a 给出沿着磁场方向的离子流在等离子体磁鞘入口的速度是声速或超声速的 c h o d u r a - b o h m 条件。因此，在等离子体磁鞘前附加一个等离子体预鞘区，离子在这里 获得加速度至声速。研究结果显示m p s 和鞘层宽度依赖于磁场的角度，而等离子体和壁 之间总的电势降不依赖于磁场的大小和角度。 1 9 9 3 年r i e m a n n “”圳在流体模型基础上，考虑斜磁场和碰撞的影响，详细研究了等 离子体鞘层的形成和玻姆判据。他认为鞘层由空间电荷鞘和一个准中性预鞘组成，在预 鞘中，离子被加速到声速。通常预鞘层的传输机制依赖于离子的碰撞摩擦、电离、以及 离子流的贡献。所研究的磁场方向几乎平行于基板，角度在8 4 3 。至1 j 9 0 。之间。强磁场的 主要作用是把碰撞预鞘压缩成一个很薄的层。 1 9 9 7 年a h e d o 船2 1 在c h o d u r a 和r i e m a n n 模型的基础上，用动力学方法，分别讨论了 弱中强磁场情况下部分磁化的鞘层的特性( 图1 2 ) 。他认为只有在中等强度的磁场下， 鞘层才会分为三部分，包括碰撞预鞘、c h o d u r a 层( 磁预鞘) 和鞘层。对于弱磁场和强 2 大连理工大学博士学位论文 磁场两种情况，c h o d u r a 层消失了，分别合并到预鞘、鞘层中，构成双层结构的等离子 体鞘层。 图1 2 鞘层结构示意图 2 2 ( a ) 磁场位于( x ，z ) 平面，( b ) 弱磁场，( c ) 中等强度磁场，( d ) 强磁场。 f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h em o d e l 2 2 ( a ) bl i e si n ( x ，z ) p l a n e ，( b ) w e a k ，( c ) i n t e r m e d i a t e 。( d ) s t r o n gbf i e l d 2 0 0 1 年f a b r i c ev a l s a q u e o ”等人以c h o d u r a 的工作为基础，假设电子处于热平衡 状态，用动力学模型描述离子，用e u l e r i a nc o d e 解动力学方程，扩展了c h o d u r a 的结 果。他们首先分析了无磁场的碰撞鞘层模型，认为电离和碰撞的影响使离子流在德拜鞘 入口获得超声速( 即满足玻姆判据) ；然后系统地研究了空间均匀、时间连续的斜磁场 中的无碰撞鞘层模型，认为鞘层分为两层，一个有几个离子回旋半径宽的磁预鞘，位于 德拜鞘和等离子体之间。 低温替离子体磁鞲特性的研究 s t a n g e b y 1 建立了一个新的理论模型研究离子流进入鞘层的速度条件。离子流进入 斜磁场下的磁预鞘需要满足c h o d u r a b o h m 判据，即离子流需要以声速( z m , = 细，) 或 超声速( 幽。睁i 血，i ) 进入m p s 区，但是在肝s 区由于准中性条件la n 。h 血。i 是不允许 的，表面上看超声速离子流是不能进入的m p s 的，s t a n g e b y 分析了磁预鞘区域e x b 方向 上的惯性项，解释了这个自相矛盾的问题，得出与c h o d u r a 、r i e m a n n 相同的结论：超声 速离子流可以进入m p s 。 此外，还有部分相关的理论研究工作防”1 ：d a y b e l g e 和t a o 汹矧使用动力学模型研 究了切线入射角度的等离子体磁鞘模型，认为鞘层厚度依赖于基板的表面吸收特性。 d e w a l d 使用p i c 技术，研究了带电粒子在斜磁场中鞘层中的运动轨道，测量氘和杂质 离子冲击基板表面的角度，发现该角度依赖于离子回旋半径和德拜长度的相对大小。 f e r n a n d e zp a l o p “”建立一个理论模型，研究阴极等离子体靠近金属平面的鞘层区域， 获得一些与等离子体特性有关的参数的依赖性，这些参数包括：玻姆判据、漂浮势、离 子密度、电流密度、鞘层厚度等。s h e r i d a n 和b e i l i s 啪3 使用双流体模型对等离子体 磁鞘进行了研究。 图i 3 等离子体鞘层模型 3 3 。 f i g i 3g e o m e t r yo fp l a s m as h e a t hm o d e l 3 3 针对等离子体磁鞘的实验研究工作有：2 0 0 1 年b o r n a l is i n g h a 实验研究磁场中 不同角度的斜金属板表面的鞘层和磁预鞘的结构( 图i 3 ) ，测量在各种影响条件下的 等离子体参数( 如电子温度等) 的值，这些影响条件包括：倾斜板的位置、外加磁场梯 度、以及板的偏压等，发现这些条件对边界层结构的影响：磁场角度从小到大，磁预鞘 厚度增大，而鞘层厚度减小；磁场强度、极板偏压增强，鞘层厚度增大。s z i k o r a 。“使 用l a n g m u i r 探针测量直流平板磁电管的电子温度、漂浮势、等离子体电位，发现漂浮 4 大连理工大学博士学位论文 势和等离子体电位的差值与电子温度成线性关系，同时通过探针测量证明了鞘层玻姆判 据( b o h mc r i t e r i o n ) 理论的正确性。k i m 啪1 实验研究了电子温度远远大于离子温度时， 磁场和碰撞对预鞘参数的影响，对碰撞等离子体电势的测量发现预鞘具有双层结构，包 括碰撞预鞘和m p s 。 如前所述，目前针对等离子体磁鞘的研究工作开展得还不够充分，其中大部分工作 “2 2 “”。”的研究内容是等离子体磁鞘的分层结构，即将鞘层划分为2 层或是3 层，包 括预鞘、磁预鞘、德拜鞘，重点研究讨论了磁预鞘的玻姆判据，即离子进入磁预鞘需要 具有的速度条件。很多工作。“2 “矧仅研究了磁场几乎平行于基板的情况，有的工作限定 了离子流进入磁鞘的状态，例如c h o d u r a “”假设离子流沿着磁场的方向进入鞘层。已有 的研究工作对等离子体磁鞘中直接影响等离子体工艺的参数特性、以及磁场的影响都没 有进行详尽的分析和讨论。而且a h e d o 。”的研究表明当磁场足够强的时候，鞘层部分区 域没有被磁化的假设将不再成立，磁鞘( 图1 2 ( d ) 中的s h e a t h 区域) 的空间尺度相 当可观。那么这个区域的物理特性、以及磁场的影响，需要我们通过理论研究给出一个 参考结果。 1 3 电负性磁鞘的研究背景及意义 负离子是鞘层中经常出现的一种带电粒子，它是一部分电子与中性原子、分子接触 或在膜生长过程中化学反应生成的。含有负离子的等离子体鞘层，我们称之为电负性鞘 层( e l e c t r o n e g a t i v ep l a s m as h e a t h ) 。负离子在包括表面处理、等离子体化学、气体 放电、以及电离层等等离子体系统和工艺中扮演着重要的角色“，因此研究负离子对 鞘层结构的影响具有极其重要的意义。 近些年来对负离子的研究工作有很多，其中一部分是研究存在负离子时的离子声波 娜t ”3 和尘埃充电过程“2 3 等问题。m i s h r a 。”研究了存在负离子情况下离子声波的双层结 构。r y u t ai c h i k i ”对存在负离子时不同模式的离子声波进行了数值模拟和实验观测。 o s t r i k o v 1 研究了存在负离子时碳氟化合物刻蚀等离子体中靠近极板区域的粒子充电 和诱捕问题。d j e b l i “”研究了存在玻尔兹曼分布的正、负离子时的尘埃充电过程。 m a m u n “2 1 则分别通过两种模型来研究尘埃充电时负离子的作用。 也有少量的研究工作“。1 7 1 针对电负性等离予鞘层的特性：1 9 9 4 年、1 9 9 6 年f e m a n d e z p a l o p “1 川分析了平面探针附近出现的电负性等离子体鞘层区域，建立并求解相关理论 模型，获得大量信息，包括：电场、电势、各种粒子密度分布、鞘层的厚度等等。1 9 9 7 年h m e m i y a “”研究了由热电子、负离子和电极发射的电子构成的等离子体鞘层双层结构 低温等离子体磁鞘特性的研究 ( 图1 4 ) ，计算了鞘边界的离子能量和极板表面的电场。2 0 0 0 年里l i m l 研究了一维无 碰撞电负性鞘层模型，得出结论：负离子与电子的浓度比值、温度比值对鞘层内空间电 荷密度分布以及鞘层的厚度有很大影响。2 0 0 3 年w a n g m l 研究了电负性等离予体鞘层的 结构，修正离子声速和b o h m 判据，讨论了不同情况下的鞘层电势、空间电荷密度。 图1 4 鞘层结构示意图 4 5 。 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h em o d e l 4 5 已有的研究工作都是针对无外加磁场时的电负性等离子鞘，而电负性磁鞘的研究工 作目前还没有人做，在本文的工作中，使用流体模型，研究电负性等离子体鞘层在斜磁 场中的结构，分析讨论磁场和负离子对等离子体鞘层的影响。 1 4 等离子体射频磁鞘的研究现状 等离子体放电的方式大体分为两类：一类是直流放电，另一类是高频放电、微波放 电。当用甲烷等气体来进行直流放电的时候，电极表面上绝缘性薄膜的堆积会阻碍电流 的流通，甚至会导致放电中止。不使用直流而采用工业上标准的1 3 5 6 m h z 的高频电磁 波或2 4 5 g h z 的微波来进行放电，就能够维持这类气体放电的稳定的等离子体状态。所 以，使用高频放电或微波放电的等离子体应用比直流放电更广泛。上个世纪八十年代以 前，普遍研究的是直流等离子体鞘层，随着近几年来一些新的低气压高密度放电等离子 体源( 如射频感应耦合等离子体源、螺旋波等离子体源) 的出现。对射频等离子体鞘层 的物理特性以及轰击基板的离子能量分布等问题的研究得以广泛的开展起来。 在等离子体加工过程中，通常在基片上施加一个射频( r f ) 偏压，从而在偏压基板 附近形成一个非中性区域射频等离子体鞘层。该鞘层的特性以及电子、离予在其中 6 大连理工大学博士学位论文 的行为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。 射频等离子体鞘层得最大特性是鞘层的厚度和电势等物理量都随着时间和空间变化，因 此，射频等离子体鞘层的研究显得相当复杂。但是这并不影响射频等离子体的应用，尤 其是应用磁场的射频等离子体装置，例如射频磁电管呻1 ( 图1 5 ) ( m e r i e m a g n e t i c a l l y e n h a n c e dr e a c t i v ei o ne t c h i n g ) 在薄膜刻蚀工艺中起着极其重要的作用，它是应甩一个 很弱的平行于电极表面的磁场，磁场的作用是在低压下减轻等离子体扩散，从而获得高 密度的等离子体。h u t c h i n s o n “”对电容性耦合射频放电进行了实验研究，采用m o n t e c a r l o 方法模拟横向磁场( o 6 0 g s ) 平行于电容平面时的等离子体密度。实验观测磁场 弱时等离子体密度会降低，磁场增强时等离子体密度又会升高，数值模拟与实验结果符 合得很好。此外还有螺旋波等离子体( h e l i c o nw a v ep l a s m a ) ，它是等离子体内部的磁 场在高频电流的驱动下发生振荡，激励起强烈的螺旋波，在低气压下获得高密度的等离 子体。j u n g - h y u n gk i m 。1 研究了在一个直径为l o c m 的石英管内生成的高密度的嫖旋波 等离子体的特性。由于等离子体电势决定了入射极板的离子的能量，从理论上和实验上 研究了等离子体电势的波动对离子能量分布的影响，实验观测的磁场强度主要是在 2 0 0 9 0 0 g s 范围之间。 图1 5 对称平行平板电容型射频磁电管 4 8 。 f i g 1 5m o d e lo fas y m m e t r i c ，p l a n e p a r a l l e l ，m a g n e t i c a l l y e n h a n c e dc a p a c i t i v er fd i s c h a r g e 4 8 对射频等离子体鞘层特性的研究工作主要有：1 9 8 8 年和1 9 8 9 年l i e b e r m a n 。1 ”1 采 用流体方程和泊松方程相耦合的流体动力学模型来描述无碰撞和考虑碰撞效应的射频 偏压等离子体鞘层，得到离子、电子密度和鞘层中的电场和电势随时间变化的解析表达。 l i e b e r m a n 的这种电子密度阶梯分布的模型使泊松方程的积分得以简化，从而可以得到 7 低温等离子体磁鞘特性的研究 流体动力学模型的解析解。1 9 9 0 年g o d y a k “3 1 考虑了鞘层中的离子电流和电子电流，同 样利雨电子密度分布的阶梯模型以及不含时间相关项的流体动力学模型得至了任意鞘 层电压和任意碰撞参数的射频偏压等离子体鞘层特性。1 9 9 8 年g i e r l i n g 和r i e m a n n ”1 采用了正确的边界条件，提出了改进的电子密度分布的阶梯模型。许多研究者在电子密 度分布的阶梯模型的基础上，对高频情况下的射频偏压等离子体鞘层特性作了进一步的 研究4 ”。2 0 0 0 年s o b o l e w s k i “1 考虑了时间相关项，利用阶梯模型，在较宽的频段范 围内，计算了鞘层电流、电阻和功率。2 0 0 2 年d e w a m 呻1 在l i e b e r m a n 电子密度分布的阶 梯模型的基础上，将非正弦形式的射频电流用正弦形式的谐波分量之和来表达，得到了 基板的不对称性对电容感应耦合放电两个基板之间的等离子体电阻和极板电压影响的 解析表达。k i m 和e a o m o m o u 等人“7 制利用通量修正格式( f c t ) ，采用考虑碰撞效应的二维 鞘层流体动力学模型，结合蒙特卡洛方法，数值分析了二维限度对悬浮基板附近鞘层电 势、电场和离子能量分布的影响，但他们同样假定了一个正弦变化的基板电压。1 9 9 9 年e d e l b e r g 呻1 等人虽然采用了时问平均流体动力学模型来描述离子的运动，但是值得 一提的是他们考虑了鞘层的非线性对基板电压的影响，把鞘层等效成为一个由电容、恒 流源和二极管所组成的电路，从而提出了能够自治的决定基板电压和鞘层厚度关系的等 效电路方程，得到了非正弦变化基板电压和鞘层厚度随时间的变化关系。2 0 0 3 年、2 0 0 4 年，x i a n g 和w a e l b r o e c k ”“3 采用电子漂移扩散近似，研究了预鞘和碰撞效应对射频偏 压等离子体鞘层物理特性的影响。此外还有针对射频鞘层基板上离子能量分布的部分实 验6 ”和理论删工作。 可见对无外加磁场的射频鞘层的研究工作已经很充分了，然而对磁场作用下射频鞘 层的研究工作却不多：1 9 9 7 年马腾才。”采用流体近似和迁移一扩散近似分别研究了外磁 场作用下射频等离子体的离子和电子动力学，指出外磁场对鞘层中离子通量和能量分布 的支配作用。2 0 0 4 年h o u 数值模拟了垂直磁场作用下非平板电极二维射频鞘层模型。 本文研究分析一个斜磁场作用下的平板射频鞘层模型，分析讨论磁鞘内参数的特性，包 括基板上的离子能量分布、离子入射角度等。 1 5 尘埃等离子体磁鞘的研究意义及现状 尘埃粒子广泛存在于宇宙空间、实验室等离子体装置、以及处理材料的等离子体环 境中，它的存在不仅要受到等离子体的作用还要对等离子体的电子特性产生深刻的影 响，显著地改变等离子体鞘层的性质，从而改变加工材料的性质；另一方面，带电的尘 埃会直接污染加工材料。人们发现在集成电路的等离子体加工中，存在大量的尘埃粒子， 大连理工大学博士学位论文 严重影响加t 的质量和效率。随着尘埃在空间、实验室以及工业加工等应用中不断出现 新的现象，尘埃等离子体物理开始倍受关注，成为当前比较活跃的一个研究领域。 尘埃等离子体由电子、离子和大质量强带电的尘埃颗粒组成。尘埃粒子的可能质量 m d 的范围大约为1 0 一1 0 4 克，尘埃粒子大小的可能范围从几个纳米到几十微米m 1 “。在 等离子体中，这些尘埃粒子因与电子、离子碰撞而携带负电荷，携带的电荷z 。的范围大 约1 0 3 1 0 5 个电子”。这样大范围的空间和时间尺度以及带电量，使得尘埃等离子体问 题的研究比较复杂。 尘埃等离子体研究工作包括尘埃的静电屏蔽m ”、尘埃粒子的充电过程n 1 、尘埃 电荷涨落对尘埃等离子体集体模式的影响”、尘埃粒子的输运过程。”1 、以及尘埃晶 格”1 ”。等等。 由于尘埃粒子与其它带电粒子相比具有可观的电荷数和质量，在研究尘埃粒子的输 运过程中必须考虑重力、中性气体粘滞力和洛仑兹力等力的作用。许多研究者研究了尘 埃粒子在等离子体边界鞘层中的受力、运动、分布等情况。2 0 0 0 年l i u 呻1 分别用流体模 型和单粒子模型研究了颗粒小而密集的尘埃粒子和大而稀疏的尘埃粒子。结果显示在这 些力的共同作用下，粒子分布出现空间振动，只有带负电的粒子可以漂浮在鞘内，位置 由粒子的大小和受力决定。另外，还讨论了尘埃与离子的密度比，电极发射的电子柬， 离子的损失( 充电给尘埃) 对尘埃分布的影响。刘德泳“0 叼用动力学方法研究尘埃粒子 在直流辉光放电阴极鞘层中的运动特性，并讨论了尘埃粒子携带的电荷、受到的各种