（等离子体物理专业论文）等离子体鞘层及尘埃在鞘层中的特性研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 在等离子体材料表面改性、合成薄膜及刻蚀等工艺过程中，等离子体和材料表面附 近形成的等离子体鞘层的物理特性直接影响被加工材料的性能。鞘层内带电粒子的能量 分布、密度分布、鞘层的电位结构以及磁场等都将决定等离子体与材料的相互作用过程。 所以对等离子体鞘层的研究具有重要的意义和价值。但等离子体鞘层的研究工作还不够 完善，特别是电负性等离子鞘层特性的研究，由于在某些等离子体加工中存在大量的负 离子，会对鞘层结构产生很大的影响。另外，带电尘埃粒子广泛存在于宇宙空间、实验 室等离子体装置以及微电子工业加工等离子体中，人们对尘埃等离子体或尘埃在等离子 体中性质的研究涉及诸多方面，包括尘埃的带电机理，动力学行为，尘埃晶格结构，马 赫锥现象，尘埃空洞等，但是其中还有许多问题没有研究清楚。本文针对电负性等离子 体鞘层及电负性等离子体中存在紫外辐射时尘埃的充电行为，柱槽状电极的等离子体鞘 层及在鞘层中尘埃粒子的分布结构，在磁场作用下等离子体鞘层中单尘埃粒子的动力学 行为进行了数值模拟研究，具体内容为： ( 1 ) 综述介绍了等离子体鞘层和尘埃等离子体的基本概念、基本特性及研究意义 和发展现状。 ( 2 ) 采用流体理论研究了强电负性等离子体的鞘层结构。采用有限轨道运动( o m l l 模型研究了紫外辐射对尘埃颗粒在电负性硅烷( s i l l 4 ) 等离子体中的充电行为的影响。研 究结果表明：在等离子体区和鞘层区之间几乎不存在预鞘过渡区，在电极附近形成一个 纯正离子鞘层，在鞘边附近鞘层里的空间净电荷形成一个很陡的峰分布，空间电势下降 得更快，鞘层厚度变得更薄：光电分离效应将会有效的降低尘埃所带的负电荷数量，甚 至会使尘埃颗粒带上正电荷。 ( 3 ) 采用柱形槽状电极的流体鞘层模型，数值模拟了二维鞘层特性，并在此基础上， 建立了描述尘埃粒子运动的三维动力学模型，研究了尘埃粒子在鞘层中的分布结构。研究 结果表明：电极鞘层形成一个势阱，可以束缚尘埃粒子。等离子体密度高时，鞘层薄，反 之，鞘层厚；尘埃数日少时，基本形成一层结构，粒子数目多时，形成多层结构；电极尺 寸不同时，尘埃粒子形成一些复杂而又有趣的结构。在考虑尾流效应时，发现分布在鞘层 中的上层粒子对相对应的下层粒子在轴向分量上有取向一致的吸引作用。 ( 4 ) 采用单尘埃粒子模型研究了在磁场作用下等离子体鞘层中尘埃粒子的动力学 行为。研究结果表明：尘埃粒子的大小，初始位置，初始速度和磁场都会影响尘埃在等离 子体鞘层中的平衡位置和运动状态。对于大小相同的尘埃，不论其初始位置、初始速度 等离子体鞘层及尘埃在鞘层中的特性研究 如何，最终会在静电力、重力、中性气体碰撞力、离子拖拽力和洛仑兹力的共同作用下 平衡于相同的位置。如果尘埃大小超过某一值，它将不会平衡在鞘层中。 ( 5 ) 采用一维流体模型，对等离子体源离子注入不同几何形状的靶，不同中性气 体气压条件下无碰撞和碰撞鞘层的时空演化进行了数值研究，并研究了鞘层表面处离子 注入平均动能和离子注入电流密度等物理量随时间的演化。研究结果表明：对碰撞鞘层， 平面靶、球形靶和柱形靶所对应的最终鞘层厚度彼此之间有显著差别，且不同几何形状 靶的碰撞鞘层的数值结果与相应解析模型得到的结果符合得很好。 最后，给出本文研究工作的主要结论及对未来工作的展望。 关键词：等离子体鞘层；电负性等离子体；尘埃粒子分布；尘埃充电；鞘层演化 大连理工大学博士学位论文 r e s e a r c ho nc h a r a c t e r i s t i co f p l a s m as h e a t ha n d d u s tp a r t i c l e si nt h es h e a t h a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so fp l a s m am a t e r i a ls u r f a c em o d i f i c a t i o n ，s y n t h e s i sf i l ma n de t c h i n g ，t h e p l a s m aa n dt h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s f i co ft h ep l a s m as h e a t hf o r m e dn e a rt h es u r f a c eo ft h e m a t e r i a l sd i r e c t l ya f f e c tt h e c a p a b i l i t y o ft h em a t e r i a l sp r o c e s s e d e n e r g ya n dd e n s i t y d i s t r i b u t i o no fc h a r g e dp a r t i c l ei nt h es h e a t h ，p o t e n t i a ls t r u c t u r eo fs h e a t ha n dm a g n e t i cf i e l d w i l la l ld e c i d et h ei n t e r a c t i v ep r o c e s so fp l a s m aa n dm a t e r i a l t h e r e f o r e i ti ss i g n i f i c a n ta n d w o r t h yt or e s e a r c ht h ep l a s m as h e a t h m e a n w h i l e ，t h er e s e a r c h e so nt h ep l a s m as h e a t ha r en o t e n o u 曲，e s p e c i a l l yt h er e s e a r c ho n t h es h e a t hc h a r a c t e r i s t i co ft h ee l e e t r o n e g a t i v ep l a s m a f o r t h eg r e a ta m o u n to fn e g a t i v ei o n st h a te x i s ti ns o m ep l a s m a s p r o c e s s e sh a v ei m p a c to nt h e s t r u c t u r eo ft h es h e a t hd r a m a t i c a l l y i na d d i t i o n ，t h ec h a r g e dd u s tp a r t i c l e se x i s tw i d e l yi n s p a c e 1 a b o r a t o r ya sw e l la sm i c r o - e l e c t r o n i c si n d u s t r yf o rp l a s m ap r o c e s s e sd e v i c e s t h e r e s e a r c ho nc h a r a c t e r i s t i co ft h ed u s t yp l a s m ao rt h ed u s ti nt h ep l a s m ah a v ee x p l a i n e d d i f f e r e n ta s p e c t s ，h o w e v e r ，t h e r ea r es t i l lm a n yq u e s t i o n sr e m a i n i n gu n c l e a r 1 1 1 i st h e s i s r e s e a r c h e st h r o u g hs i m u l a t i o no nt h es h e a t ho ft h ee l e c t r o n e g a t i v ep l a s m aa n dt h ec h a r g e b e h a v i o ro f d u s tw i t l l 也eu l t r a v i o l e tr a d i a t i o ni nt h ee l e c t r o n e g a t i v ep l a s m a t h ep l a s m as h e a t h o f t h ec y l i n d r i c a lc o n c a v ee l e c t r o d ea n dt h ed i s t r i b u t i o no f t h ed u s tp a r t i c l e si nt h es h e a t h ，a n d d y n a m i cb e h a v i o ro ft h es i n g l ed u s tp a r t i c l ei nt h ep l a s m as h e a t hw i t h i nt h em a g n e t i cf i e l d t h ec o n t e n t sa r e ： f i r s t l y , b a s i cc o n c e p ta n dc h a r a c t e r i s t i co f p l a s m as h e a t ha n dd u s t yp l a s m a s ，s i g n i f i c a n c eo f r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta c t u a l i t ya r ei n t r o d u c e d s e c o n d l y ，s h e a t hs t r u c t u r e so fs t r o n ge l e c t r o n e g a t i v ep l a s m a sa r ei n v e s t i g a t e d ，u s i n ga f l u i d t h e o r y t h ee f f e c to fu l t r a v i o l e tr a d i a t i o nt ot l l ec h a r g eb e h a v i o ro fd u s tp a r t i c l e si nt h e e l e c t r o n e g a t i v es i l l 4p l a s m a sh a sb e e nr e s e a r c h e d u s i n gt h e0 m lm o d e l t h er e s u l ts h o w s t h a tp r e s h e a t ht r a n s i t i o na l m o s td o e sn o te x i s tb e t w e e nb u l kp l a s m aa n ds h e a t ha n dap u r e p o s i t i v ei o ns h e a t hi sf o r m e dn e a rt h ee l e c t r o d e f u r t h e r m o r e ，t h en e tc h a r g eh a sap e a kn e a r t h es h e a t he d g e t h ef a s t e rs p a t i a lp o t e n t i a lf a l l s ，t h et h i n n e rt h es h e a t ht h i c k n e s sb e c o m e s u vp h o t o d e t a c h m e n tc o u l ds i g n i f i c a n t l yl o w e rt h ed u s tn e g a t i v ec h a r g ea n de v e nm a k ed u s t g r a i n sp o s i t i v e l yc h a r g e du n d e r s o m es p e c i a lc o n d i t i o n s t h i r d l y ，af l u i ds h e a t hm o d e lo f ac y l i n d r i c a lc o n c a v ee l e c t r o d eh a sb e e ne s t a b l i s h e da n di t s t w o d i m e n s i o nc h a r a c t e r i s t i ch a sb e e ns i m u l a t e d b a s e do n 也a t at h r e ed i m e n s i o n a l d y n a m i c sm o d e ld e s c r i b i n gd u s tp a r t i c l e sh a sb e e ne s t a b l i s h e da n dt h e i rd i s t r i b u t i o n sh a v e 等离子体鞘层及尘埃在鞘层中的特性研究 b e e ns t u d i e d i h er e s u l ts h o w st h a tt h ep o t e n t i a lw e l lf o r m e db yt h ee l e c t r o d es h e a t hc o u l d s c a r e rt h ed u s tp a r t i c l e s t h es h e a t hi st h i ni ft h ed e n s i t yo ft h ep l a s m ai sh i g h ；o nt h e c o n t r a r y t h es h e a t hi st h i c k o n el a y e rs t r u c t u r ei sf o r m e di ft h en u m b e ro f t h ed u s ti ss m a l l ； w h i l en m l t i l a y e rs t r u c t u r ei sf o r m e di ft h en u m b e ro ft h ed u s ti sl a r g e w i t hv a r i a n ts i z e so f t h ee l e c t r o d e t h ed u s tp a r t i c l e st h e nf o r ms o m ec o m p l e xa n di n t e r e s t i n gs t r u c t u r e s w h i l e c o n s i d e r i n gt h ew a k ee f f e c t , i ti sf o u n dt h a ti nt h es h e a t h ，t h ep a r t i c l e so nt h eu p p e rl e v e la r e o r i e n t a t i o n a l l yc o n s i s t e n t t oa t t r a c tt h e i rc o u n t e r p a r t so nt h el o w e rl e v e lo nt h ea x i a l c o m p o n e n t f o u r t h l y ，d y n a m i c so fd u s ti nap l a s m as h e a t hw i t hm a g n e t i cf i e l di si n v e s t i g a t e d ，u s i n ga s i n g l ep a r t i c l em o d e l n l er e s u l ts h o w st h a tr a d i u s o r i g i n a lp o s i t i o na n dv e l o c i t yo fd u s t p a r t i c l e sa n dt h em a g n e t i cf i e l dh a v ee f f e c to ni t sm o v e m e n ta n de q u i l i b r i u mp o s i t i o ni nt h e p l a s m as h e a t h 1 1 1 es a m e s i z ed u s tp a r t i c l e s ，w h a t e v e ro r i g i n a lv e l o c i t ya n dp o s i t i o nt h e yh a v e ， f i n a l l yw i l lr e s ta tt h es a m ep o s i t i o nu n d e rt h en e ta c t i o n so fe l e c t r o s t a t i c ，g r a v i t a t i o n a l ， n e u t r a lc o l l i s i o n a l ，i o nd r a ga n dl o r e n t zf o r c e s b u tt h e yw i l ln o tr e s ti nt h ep l a s m as h e a t hi f t h e i rr a d i u si sb e y o n dc e r t a i ns i z e f i f f i t l y ，t h ee v o l u t i o no fc o l l i s i o n l e s sa n dc o l l i s i o n a ls h e a t h si nd i f f e r e n tg e o m e t r i e sa n d u n d e rv a r i o u s g a sp r e s s u r e sh a sb e e nn u m e r i c a l l ys t u d i e d ，u s i n gao n e - d i m e n s i o n a lf l u i d m o d e l b e s i d e st h a t ，p l o t sf o r t h ea v e r a g ek i n e t i ce n e r g ya sw e l la st h ec u r r e n td e n s i t y o fi o n i m p l a n t a t i o n sa tt h et a r g e ts u r f a c ea r ep r e s e n t e d f o r t h ec o l l i s i o n a ls h e a t h ，i ti sf o u n dt h a tt h e f i n a ls h e a t ht h i c k n e s si np l a n a r ，s p h e r i c a lo rc y l i n d r i c a lg e o m e t r i e sd i f f e r sf r o m e a c ho t h e r s i g n i f i c a n t l y a l s o c o m p u t a t i o n a lr e s u l t so ft h ec o l l i n o n a ls h e a t h i nd i f f e r e n tg e o m e t r i e sa r e i ng o o da g r e e m e n tw i t ht h o s eo b t a i n e db ya n a l y t i cm o d e l s f i n a l l y ，c o n c l u s i o n sa n dt h ef u t u r ew o r k a r eg i v e ni nt h et h e s i s k e y w o r d s ：p l a s m as h e a t h ；e l e e t r o n e g a t i v ep l a s m a ；d u s tp a r t i c l e sd i s t r i b u t i o n ； d u s tc h a r g i n g ；s h e a t he v o l u t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：互垒往日期：址 等离子体鞘层及尘埃在鞘层中的特性研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 丝葺 纽 盘幽年立月芝日 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 等离子体鞘层的研究背景及意义 等离子体鞘层是等离子体中一个非常特殊而重要的区域【l 】。鞘层的形成与等离子体 的屏蔽效应是密切相关的，实质上，鞘层就是等离子体受至q 某种扰动时，由德拜屏蔽产 生的电荷层 2 1 。在所有的实际等离子体装置中，等离子体包含在一个有限大小的真空室 中，即等离子体都是在一个有限大小的空间内产生的，称为等离子体发生器。在等离子 体边界附近，如等离子体与器壁、电极或基板的边界，都存在着非电中性的等离子体鞘 层。如果器壁( 或电极、基板) 处于悬浮状态，由于电子质量小且比离子的温度高，电 子比离子扩散得快，那么容器壁、电极或基板上就会积累大量的负电荷，就会使其表面 形成一个负电势，负电势会吸引正离子，排斥电子，从而在表面形成一个非电中性区域， 就是等离子体鞘层。( 图1 1 ) o 图1 - l 等离子体在近壁处形成鞘层 f i g 1 1p l a s m as h e a t hi sf o r m e dn e 口t h ew a l l 如果在两个电极之间加上电压，当维持电流平衡时，每个电极可以分别吸引带电粒 子，这样在阴极附近形成一个非电中性区域，通常称为阴极鞘层。当射频电压加到电极 上时，能形成一个随时间变化的鞘层，鞘层边界随时间振荡。对于负高压脉冲形成的鞘 层，在电压脉冲施加的瞬间，电场将电子从鞘层中驱逐，留下一个离子密度均匀的鞘层， 随后离子不断注入靶中，鞘层边界向等离子体中扩展，这将在“等离子体浸入离子注入” 等离子体鞘层及尘埃在鞘层中的特性研究 中发生。如果中性气体是电负性的，电子附着于中性气体原子上形成大量的负离子。如 果负离子比例很大，将会显著改变通常的电子正离子鞘层的特性【3 1 。 广泛应用在低温等离子体微电子工业中的等离子体材料表面改性、合成薄膜及刻蚀 等工艺过程，都是通过在被加工的工件上施加一负偏压使其工件表面形成等离子体鞘层 实现的。鞘层的物理特性，如鞘层内的电场分布、磁场分布、离子密度、电子密度，特 别是轰击基板( 7 - 件) 的离子能量分布和角度分布都直接影响等离子体薄膜沉积 4 , - 8 1 和 刻蚀的质量【9 - l4 】。在等离子体加工工艺过程中，离子从等离子体内部以玻姆速度进入鞘 层，被鞘层电场加速，以几十至几百电子伏的能量打到基板上，从而实现材料表面改性 的目的。鞘层中离子流的行为，除了受到等离子体参数的影响之外，还在很大程度上取 决于鞘层电场以及离子与鞘层中中性原子的碰撞过程 1 6 9 1 。而材料表面改性的程度及性 质取决于材料表面与等离子体鞘层的相互作用过程。因此，等离子体鞘层的研究对这些 工艺过程具有重要的意义和价值。 自从1 9 2 9 年l a n g m u i r ”艉出了等离子体鞘层的概念以来，等离子体鞘层的物理特 性就一直是个热点研究问题，研究者们已经开展了这方面大量的理论和实验研究工作 f ”钒1 缸1 6 8 ，相继研究了直流等离子体鞘层、射频等离子体鞘层及脉冲等离子体鞘层的 时空演化特性等。特别是近年来一些新的低气压高密度放电等离子体源( 射频感应耦合 等离子体源、螺旋波等离子体源等) 的出现，使等离子体鞘层物理特性的研究更加深入， 鞘层对等离子体的性质起着决定性的作用，对鞘层的研究也将是解决等离子体诸多问题 的出发点。 1 2 电负性等离子体鞘层和尘埃充电的研究意义及现状 在实际工业应用中，电负性等离子体放电被广泛应用于制造特种优良性能的新材 料，加工、改造、和精制材料及其表面。电负性等离子体含有大量的由于原子和分子与 电子相结合或在膜生长过程中化学反应形成的负离子( 如0 一，耳，s i l l ；等) 。负离子在 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| 1 7 , 1 5 】。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 e p l a s m as h e a t h ) 。在电负性等离子体中，由于带负电粒子的迁移率大大减小，因此电负 性等离子体的特性将不同于普通等离子体，研究负离子对鞘层结构及尘埃充电的影响具 有非常重要的意义。 自二十世纪九十年代起学者们对电负性等离子体鞘层的特性就进行了研究，1 9 9 4 年、1 9 9 6 年f e r n a n d e z 和p a l o p 等人【悖捌研究了在平面探针附近出现的电负性等离子体 鞘层区域，建立了相关的理论模型，数值分析和讨论了电场、电势、各种粒子密度分布、 大连理工大学博士学位论文 鞘层厚度等物理量。1 9 9 8 年a m e m i y a 等人【2 ”研究了由热电子、负离子和电极发射的电 子组成的电负性等离子体鞘层的双层结构( 图1 2 ) ，数值计算了鞘层边界的正离子能量 和极板表面的电场，2 0 0 0 年l i 等人【2 2 】研究了一维无碰撞电负性鞘层模型( 正离子被认 为是冷的) ，数值模拟了负离子与电子的密度比和温度比对鞘层空间电荷密度的分布以 及鞘层的厚度产生的影响。2 0 0 2 年b r a i t h w a i t e 等人 2 3 1 ，k o n o 等人1 2 4 1 和f r a n k l i n 等人【2 5 】 分别采用冷正离子流体模型和p i c - m c 模拟研究了在中等电负性情况下等离子边界处的 振荡电势的形成机制。2 0 0 3 年w a n g 等人【2 6 】研究了电负性等离子体的鞘层结构，讨论了 鞘层电势、空间电荷密度与负离子密度的关系，并修正了离子声速和b o h m 判据。但是， 在这些理论研究中，强电负性等离子体的鞘层结构还没有被系统的、准确的研究过。 图1 2 电负性等离子体鞘层结构示意图 2 1 1 f i g r 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f s h e a t hi ne l e c t r o n e g a t i v ep l a s m a s1 2 t 除了对电负性等离子体鞘层进行了研究外，近年来，学者们还对电负性等离子体的 其它特性如离子声波和尘埃充电过程等开展了许多研究工作。a m e m i y a 等人 2 7 1 利用在 氧等离子体放电中的探针和激光做了很多关于负离子o 一和昕的诊断工作，王文春等人 跚在介质阻挡放电中成功的观察到了日；和历，m i s h r a 等人1 2 9 研究了存在负离子时离 子声波的双层结构，r y u t ai c h i k i 等人唧1 对电负性等离子体的离子声波进行了数值模 拟和实验观测。在电负性等离子体尘埃颗粒充电行为的研究中，l t l l l 和s h u k l a 等人m j 提出了两种负离子的分布模型是玻尔兹曼分布和束流分布，并且发现在这两种模型中， 等离子体鞘层及尘埃在鞘层中的特性研究 负离子的数密度对尘埃颗粒的充电行为都有很重要的影响。d j e b l i 等人【3 2 l 研究了尘埃颗 粒充电随时间演化的行为，发现尘埃的带电量取决于尘埃的初始电量和负离子的数密 度。o s t r i k o v l 3 3 l 等人系统研究了尘埃颗粒的数密度、带电量及颗粒半径对复杂电负性等 离子体性质的影响。但他们的模型中没有考虑紫外光辐射对尘埃颗粒带电的影响，而紫 外光辐射对尘埃颗粒在电负性等离子体中充电行为的研究将是十分重要的，因此较全面 地对尘埃颗粒的带电机制的研究就成为电负性等离子体物理中另一个重要的分支。 在本文的研究工作中，我们将建立一个强电负性等离子体预鞘和鞘层区域作为整体 来考虑的动力学模型来研究强电负性等离子体中的鞘层结构，数值分析和讨论强电负性 等离子体鞘层中带电粒子的密度分布，空间电势和空间净电荷分布以及鞘层的厚度。我 们还采用常规的有限轨道运动( o m l ) 模型研究在有紫外光辐射时，高密度低气压硅烷 ( s i l - h ) 等离子体放电中尘埃颗粒的充电特性。 1 3 等离子体鞘层时空演化的研究背景及意义 等离子体源离子注入( p s i i ) 是一种高效率的离子注入技术 3 4 r ，5 】。它从根本上克服了 传统离子注入所存在的“视线”限制和结构复杂等缺点。等离子体源离子注入过程中， 待注入的靶直接浸泡在等离子体源中，靶上施加一系列负高压脉冲，离子在正离子点阵 鞘层位降作用下加速并被注入到靶中，起到材料表面改性的作用。如若从根本上了解离 子注入机理，以达到特定注入要求，就必须了解等离子体鞘层随时间演化的详细情况， 自从等离子体源离子注入技术出现以来，已经建立了一些解析和数值计算模型，研究了 平板、柱形和球形靶的无碰撞和碰撞等离子体鞘层的时空演化。其鞘层示意图如图1 3 所示。 ： 4 十- + 4 - y l a m m + 一+ 一+ +一+-+ +一+-+ + 一+ 一十 +一+一+ 图1 3 脉冲偏压鞘层示意图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h e 幽s h e a t h 大连理工大学博士学位论文 在解析模型中，1 9 8 9 年l i e b e r m a n 等人1 3 6 最早建立了一维平板几何无碰撞p s i i 鞘 层解析计算模型，1 9 9 0 年s c h e u e r 等人【3 1 将这一模型推广到柱形和球形几何形体上。 即认为鞘层的扩展过程是一个准稳态过程 图1 4 1 ，遵循c h i l d - l a n g m u i r 定律，这有一 定的局限性。而数值模拟方法提出一组自洽的非线性方程组来描述鞘层的整个过程，更 适合鞘层演化的精确描述。1 9 9 2 年g a e m m e r t 等人 3 8 1 ；ji ) k - - 系列“标识粒子群”利用 数值模拟方法对鞘层的时空演化进行了比较粗略的计算。此模型虽然在解决一维平面、 圆柱、球形几何的鞘层演化方面是行之有效的，但同时也应该看到g a e 砌e r t 把鞘层 内划分出若干个流体元，没有以粒子的运动为单位来描述鞘层，曲线不够平滑，只能做 定性分析。针对等离子体注入工艺，1 9 9 9 年k i m 等人【3 9 l 采用流体动力学模型研究了给 基板加一个脉冲偏压时，鞘层中电势、离子密度和鞘层厚度等物理量的演化规律，他们 假定加在基板上的电压是理想方波。2 0 0 0 年q i 等人阳和s h e r i d a n 等人【4 l 】采用流体动 力学模型研究了上升沿时间对脉冲偏压鞘层演化的影响。 辣冲负高压 图1 4p s i i 鞘层扩展示意图 f i g 1 4s c h e m a t i c d i a g r a m o f t h es h e a f l l m o d e l 为了避免方波电势脉冲锐边界引起的数值振荡，我们需要建立等离子体鞘层的流体 模型来描述p s i i 鞘层动力学特性，特剐是采用具有斜坡过渡的梯形波脉冲对不同几何形 状的靶的无碰撞和碰撞鞘层的时空演化进行了数值研究，并与相对应的解析模型和实验 等离子体鞘层及尘埃在鞘层中的特性研究 研究得到的结果进行比较与分析。在理论研究上进一步加深对等离子体源离子注入机理 的理解，在实际应用上为等离子体技术对材料改性工艺的优化提供必要的依据。 1 4 尘埃等离子体物理的研究意义 尘埃等离子体是一种尘埃颗粒悬浮其中的电离气体，般由电子、离子和带电尘埃 颗粒组成。其中尘埃颗粒可以是绝缘介质，金属或其它材料。尘埃粒子广泛地存在于宇 宙空间中，如星际物质，地球电离层，星环和慧星尾部，也大量存在于实验室等离子体 和微电子工业加工等离子体中【4 2 】。尘埃粒子质量m 。可能的范围大约为1 0 1 5 1 0 1 克，所 带电荷z 。的范围在1 0 3 1o e 个电子电量【4 3 】，尺度范围( 尘埃粒子的大小) 从几十纳米到 几十微米不等 4 2 4 4 删。因此我们一般认为在尘埃等离子体中，尘埃颗粒是大质量，强带 电的粒子。由于尘埃的质量，所带的电荷数及自身的大小都在一个很大的范围内变化， 使得人们对尘埃等离子体的研究变得比较复杂。在尘埃等离子体中，尘埃不仅会受到等 离子体以及电磁力的作用，同时还会显著的改变等离子体的许多性质。近十几年来，随 着尘埃等离子体在空间物理，实验室以及等离子体工业加工等方面的应用和不断出现的 新的物理现象，尘埃等离子体物理己经发展成为当前一个比较活跃的研究领域。 近年来，尘埃等离子体的研究涉及空间、实验室、材料加工、微电子工业加工等众 多领域。特别在微电子工业加工中，例如半导体基片刻蚀、溅射以及薄膜沉积等，尘埃 粒子不可避免要从加工材料、放电室器壁、极板以及等离子体中产生并生长，这些尘埃 颗粒一些是放电室中的反应性气体聚合而成【4 ”3 】，一些是等离子体中的高能电子或离子 溅射器壁而生成的【4 “4 8 1 ，也有一些是人为撒入的【蚓。生成的尘埃颗粒会吸附等离子体 中的电子和离子而使其带电，尘埃颗粒就会在等离子体鞘层电场的作用下悬浮在等离子 体鞘层中。一方面，带电尘埃会对等离子体的局域特性产生很大的影响，如显著地改变 等离子体鞘层的性质、改变鞘层中离子的动量和能量分布，导致离子轰击能量的失控， 严重影响制备材料的质量；另一方面，带电尘埃本身也会造成被加工器件的污染，特别 是在计算机芯片的等离子体刻蚀加工过程中，人们发现大量的尘埃在靠近阴极的鞘层区 形成并聚集在那里，大量的带电尘埃颗粒在重力和电场力的作用下悬浮在被加工芯片上 方，而在放电结束时落在芯片表面从而使芯片造成污染 4 8 1 。早在1 9 8 5 年，首次报道了在 用等离子体加工的过程中发现有尘埃颗粒形成 0 1 ，虽然当时已经观察到了这些尘粒在基 片上的沉积及造成的污染，但只是在近几年，由于制造新一代高密度集成电路的工艺、 薄膜沉积等等离子体加工技术的发展，迫切需要解决由于尘埃颗粒造成对质量影响的关 键问题，才促使人们认识到研究等离子体加工过程中尘埃颗粒形成的机理和行为以及开 大连理工大学博士学位论文 展实验研究的重要性。所以研究尘埃等离子体不仅具有重要的理论意义，而且将为等离 子体加工过程中有效控制尘埃粒子的运动提供指导，从而对提高产品质量和经济效益具 有深远的意义。随着尘埃等离子体物理的发展，还有望在环境保护、气象预报等领域得 到应用。 1 5 尘埃等离子体物理的发展与现状 尘埃等离子体物理的发展源于空问物理，而尘埃等离子体物理真正作为一个分支学 科历史仅有半个世纪左右。尘埃等离子体物理早期的研究主要是太阳系的演化，认为构 成太阳系的早期星云就是尘埃等离子体。另外就是关于尘埃粒子带电机制的研究。在八 十年代后期，通过对尘埃等离子体集体模式的研究，不仅发现了许多新的模式的波及与 空间有关的不稳定性，而且也推动了实验室的研究工作。1 9 9 0 年r a o 等人【5 0 l 从理论上预 言了尘埃等离子体中尘埃声波的存在。果然五年后b a r k a n 等人【5 1 1 在其实验中观察到了 尘埃声波传播时的波形( 图1 5 ) 。 图1 5 等离子体中尘埃声波的传播 5 1 f i g 1 5 p r o p a g a t i o n o f d u s t a c o u s t i c w a v e s i n d u s t p l a z m a 5 1 】 尘埃等离子体的另一个重要的发展就是等离子体晶格的发现，实际上早在1 9 8 6 年， i k e z i 等a t 5 2 1 就从理论上预言了尘埃等离子体中的尘埃颗粒在一定条件下可能发生库仑 凝聚现象而形成有序的晶格结构，直到1 9 9 4 年c h u l 5 3 1 ；t ：1 t h o m a s 等人酬几乎同时在实验 室中发现了库仑晶格( 图1 6 ) ，首次从实验室尘埃等离子体中定性地观察到尘粒从随 机聚集到有规则的排列即形成等离子体晶格，该预言才得到了证实。继t o m a s 和c h u 的 等离子体鞘层及尘埃在鞘层中的特性研究 研究之后，又有许多关于等离子体晶格的实验研究，到目前为止，已在射频等离子体中 ( n 。1 0 9 c m 一，t 。卜2 e v ) ，对直径大于1 5 m 的尘粒，成功地形成了许多i k e z i 曾经预 言的库仑固体。这引起了学者们的极大兴趣，并针对晶格结构进行了理论分析和数值模 拟【5 5 侧。现随着对尘埃等离子体研究不断出现的各种新的物理现象，人们分别从实验、 理论以及数值模拟等方面对实验室尘埃晶格形成过程及其机理做了大量深入而细致的 研究工作。如尘埃充电【7 0 ，7 n 、尘埃之间的相互作用m 7 3 1 、尘埃的悬浮m 徊、单个尘埃 粒子在鞘层中的非线性共振【7 7 4 3 1 、尘埃晶格在磁场作用下的旋转 6 4 。鸵- s 6 以及尘埃的尾 流效应 6 0 8 7 9 1 l 等等。 图1 6 实验中得到的尘埃晶格照片 5 3 ( a ) 平面六角结构( h e x a g o n a l ) ( b ) 体心立方结构( b c c ) ( c ) 面心立方结构( f c c ) f 嘻1 6d u s tc r y s m lp h o t of r o me x p a i m e n t 【5 3 】 2 0 0 0 年l i u 等人【6 5 】分别用流体模型和单粒子模型研究了不同大小尘埃粒子在鞘层中 的特性。2 0 0 2 年t s k h a k a y a 等人 6 6 , 6 7 1 研究的结果表明：尘埃云的位置由鞘层电场力和重 力决定。2 0 0 2 年h e b n e r 和v i v e k 等人分别建立了尘埃的分子动力学模型对单层的尘埃晶 格分布进行了模拟研究【9 l ，啊。但该模型中没有考虑尾流势的影响，而在两层或多层尘埃 分布结构中，应考虑尾流势的作用舛】。另外，空间尘埃等离子体经常存在于磁场中， 为了深入了解尘埃粒子在磁场作用下的动力学行为，必须在基本理论和实验中研究磁场 对尘埃粒子的影响。1 9 9 9 年b a i s h y a 等人【1 4 4 】研究了在恒定磁场作用下悬浮在等离子体鞘 大连理工大学博士学位论文 层中的尘埃粒子，结果显示带电尘埃的存在影响了极板附近等离子体鞘层的形成和特 性，且随着磁场倾斜角度的增大鞘层厚度增大。人们还发现在磁场作用下的尘埃等离子 体还经常发生尘埃晶格的旋转、尘埃空洞的旋转等有趣的现象。2 0 0 5 年h o u 等人删数值 模拟了二维凹面电极射频鞘层模型中轴向磁场下尘埃晶格的旋转等。正是由于空间和实 验室以及工业等离子体加工等不同领域对尘埃等离子体中物理过程研究的需求，使得对 尘埃等离子体的研究在短短十年左右的时间里发展成为等离子体物理一大研究热点 【1 3 1 】。而以上所有这些现象的产生都是等离子体鞘层与尘埃等离子体中的带电尘埃颗粒 相互作用的结果。因此对鞘层研究将是研究尘埃等离子体物理中诸多衄题的基础。 在本文中，我们首先采用二维流体鞘层模型，数值模拟了等离子体鞘层特性，并在 此基础上，建立了描述尘埃粒子运动的三维动力学模型，数值讨论了尘埃粒子在鞘层中 的分布特性。并采用单尘埃粒子模型研究了在磁场作用下等离子体鞘层中尘埃粒子的动 力学行为。 1 6 本文主要研究内容及编排 综上所述，目前针对强电负性等离子体鞘层及尘埃在电负性等离子体鞘层中充电特 性等研究工作还不够完善，尘埃粒子与周围等离子体环境，特别是与等离子体鞘层之间 的相互作用，尘埃在等离子体鞘层中的分布特性、尘埃带电过程与电子、离子的密度及 温度的关系，在磁场作用下等离子体鞘层中尘埃的动力学特性和等离子体源离子注入的 鞘层时空演化特性等都需要进一步的研究和探讨，针对以上问题，本论文编排如下： 第二章，首先采用流体理论研究了强电负性等离子体的鞘层结构。运用s a g d e e v 势 的方法给出了鞘层的玻姆判据，并以这个判据为边界条件，数值讨论了电负性等离子体 鞘层中的带电粒子的密度分布，空间电势和空间净电荷分布及鞘层厚度，并与电正性鞘 层中的这些物理量做了比较与分析。然后，采用有限轨道运动( o m l ) 模型研究了紫外光 辐射对尘埃颗粒在电负性硅烷( s i l l 4 ) 等离子体中的充电行为的影响。数值讨论了负离子 的数密度，尘埃颗粒的数密度，电子温度，尘埃半径对尘埃充电行为的影响。 第三章，采用柱槽状电极的流体鞘层模型，数值模拟了等离子体的二维鞘层特性，并 在此基础上，假设尘埃粒子不影响鞘层性质，对每个尘埃