斜磁场作用下的射频等离子体平板鞘层结构

建立一个一维坐标空间、三维速度空间的斜磁场作用下的射频等离子体平板鞘层模型，讨论了磁场对射频鞘层结构及其参数特性的影响.研究结果表明：磁场对鞘层结构有不可忽略的影响，特别是能够使鞘层边界附近的离子速度分布和密度分布产生明显的变化.此外，虽然磁场不能改变离子总的能量密度分布，却能改变离子的运动状态，并同时影响着基板上离子在各个方向上的能量分布和入射偏移角度. 关键词： 射频 鞘层 磁场     

磁场中等离子体鞘层的结构

采用流体力学理论，研究了斜磁场作用下的等离子体鞘层结构.在不同大小及方向的磁场作用下，对鞘层的离子，电子密度分布，离子流速度分布，电势分布和Bohm判据进行了讨 论.结果显示磁场对鞘层的结构有明显的影响.在静电力和洛仑兹力的作用下，离子流作螺旋进动，离子密度分布产生振荡. 关键词： 磁鞘 等离子体 磁场     

碰撞效应对入射到射频偏压电极上离子能量分布和角度分布的影响

考虑了离子与中性粒子的弹性碰撞和电荷交换碰撞效应,建立了一套描述射频等离子体鞘层动力学特性的自洽模型,并利用MonteCarlo模拟方法研究了入射到电极上的离子的能量分布和角度分布.数值结果表明:随着放电气压增加,入射到电极上离子的能量分布逐渐地由双峰分布变成单峰分布,而且低能离子的数目也逐渐地增加.入射到电极上的离子呈小角分布,而且放电气压等参数对角度分布的影响不是太明显. 关键词： 射频放电 等离子体 离子 鞘层     

磁化等离子体的鞘层结构

采用流体方法数值研究了斜磁场作用下的等离子体鞘层结构.模拟结果显示磁场对鞘层结构有显著的影响,特别是在磁鞘边界附近离子的密度分布产生了明显的变化.分别讨论了离子垂直入射和斜入射两种情况,当离子斜入射进鞘层时,其运动情况要相对复杂一些.在适当的条件下,洛伦兹力的作用使离子在某些区域产生相对聚集,离子密度分布产生波动. 关键词： 鞘层 等离子体 磁场     

电子和负离子的反射运动对碰撞电负性磁鞘的影响

研究了鞘层中电子和负离子的反射运动对碰撞电负性磁鞘玻姆判据和鞘层结构的影响.通过理论推导得到了考虑鞘层中电子和负离子的反射运动时鞘层玻姆判据表达式,并通过数值模拟得到了电子和负离子采用玻尔兹曼模型和反射运动模型时离子马赫数的下限随参数的变化曲线以及鞘层中带电粒子密度的分布曲线.结果表明,电子和负离子的反射运动模型和玻尔兹曼模型离子马赫数的上限完全相同,下限表达式不同,反射运动模型中下限还与基板电势有关,且随着基板电势值的增加而增大,达到与玻尔兹曼分布中相同值后保持不变,随着鞘边负离子浓度和温度的不同达到最大值的速度不同;离子马赫数的下限在玻尔兹曼和反射运动模型中都随鞘边负离子浓度的增加和温度的降低而减小,只是在反射运动模型中的最大值要小;两种模型中离子马赫数的下限都随鞘边电场的增加而增加,但在玻尔兹曼模型中增加得更快最终值更大;两种模型离子马赫数的下限都随碰撞参数或磁场角度的增加而降低,但在玻尔兹曼模型中降低更快,随着碰撞参数或者磁场角度的增加两种模型中离子马赫数的下限趋于一致;当基板电势值较小时,电子和负离子的反射运动对鞘层结构影响较大,当基板电势值较大时电子和负离子反射运动对鞘层中带电粒子密度分布的影响很小.     

双频容性耦合CF4等离子体放电的二维混合模拟

研究了等离子体反应装置内的等离子体密度、粒子能量与角度分布等参量在装置径向与轴向上的分布特性。在研究过程中应用二维混合模型对CF4气体放电进行模拟。计算结果显示:在电极表面与侧壁附近的鞘层区特性有明显的区别。由于装置侧壁处受电源产生的射频电场的影响较小,侧壁处的鞘层主要由双极扩散机制形成,其产生的径向电场强度较弱,鞘层厚度也较薄。而在电极附近,由于受到射频电场的影响,鞘层的厚度显著增加,指向电极方向的轴向电场强度也远大于指向侧壁方向的径向电场强度。在电极区域内,离子通量分布均匀;在电极边缘与侧壁的间隙内,因电场强度减小,离子通量则发生迅速衰减。在射频电极覆盖的范围内离子能量分布大体上保持不变,电极与侧壁的交界处,由于受到侧壁处径向电场的影响,离子能量分布略有不同。在放电装置的中心区域,入射到电极上的离子角度分布基本保持一致,而在电极边界与装置侧壁的交界处,由于径向电场的影响,离子的垂直入射角增加,以大角度轰击电极的离子数量也显著增加。     

碰撞对非对称射频鞘层特性的影响

对于大多数活性射频等离子体刻蚀工艺，由于放电室中两个电极的面积不等，使得两个电极附近的等离子体鞘层是非对称性的.考虑离子与中性粒子的碰撞效应，建立了一种描述这种非对称射频鞘层动力学特性的自洽动力学模型.数值结果显示碰撞效应对极板上的瞬时电压降、瞬时电子鞘层厚度、鞘层内的离子密度和动能的空间分布以及两个极板上电压之差等物理量的影响. 关键词： 射频鞘层 非对称电极 碰撞效应 离子     

梯形管内壁等离子体离子注入鞘层扩展MATLAB-PIC数值模拟

基于MATLAB利用Particle-in-cell模型,对梯形管内壁等离子体离子注入过程,进行了二维数值模拟.计算结果表明在中心电极附近出现了"阳极鞘层",该鞘层内部不存在离子,而且在鞘层边缘离子密度最高.在上下管壁上的离子注入剂量呈现"m"形分布.通过对注入过程中等离子体密度分布和不同时间段管壁不同位置离子注入剂量的跟踪,发现"阳极鞘层"扩展行为是导致"m"形分布的原因.由于梯形管形状的不对称性,"阳极鞘层"的边缘向梯形长底方向扩展较快.在注入初始时刻离子注入的能量很低,随着时间延长离子能量逐渐升高,这是由离子初始位置决定的.可见梯形管自身形状决定了鞘层形状和最终的离子注入能量和剂量分布.     

气体放电空心阴极鞘层氩离子的蒙特-卡罗模拟研究

建立了气体放电空心圆筒阴极鞘层离子的自洽蒙特-卡罗模拟模型,对鞘层区内离子的输运过程进行了研究。考虑了离子与中性原子的电荷交换碰撞和弹性散射,用到了精确依赖于离子能量的电荷交换和动量输运截面。模拟了氩离子在空心阴极鞘层中的运动,得到了不同放电条件下自洽电场分布,离子的能量分布,角分布以及电子密度分布和离子密度分布。计算结果表明:离子在由鞘层边界向阴极运动过程中,离子能量分布的高能部分逐渐增大,角分布向小角度部分压缩,鞘层中的强电场对离子起加速和聚焦作用;在鞘层内离子密度分布比较均匀,只是在鞘层边界附近变化 关键词：     

电子非广延分布的多离子磁化等离子体鞘层特性

等离子体磁化鞘层在半导体加工、材料表面改性、薄膜沉积等方面都发挥着重要作用.在等离子体实验和放电应用中,常存在由两种以上离子组成的多离子等离子体;对于长程相互作用的等离子体系统,非麦克斯韦分布的电子可通过Tsallis的非广延分布来描述.本文针对多离子等离子体鞘层建立一维空间坐标三维速度坐标的流体模型,假设鞘层中电子速度服从非广延分布,本底氦离子和不同种类的杂质离子在有一定倾斜角度的磁场中被磁化,通过数值模拟探究了非广延参量、杂质离子及斜磁场对多离子磁鞘中离子的数密度、速度、壁面电势和离子动能等物理量的影响.结果表明,在氦氢或氦氩混合等离子体鞘层中,随着非广延参量增大,离子沿垂直壁方向的速度减小,鞘层中离子、电子数密度均减小,鞘层厚度减小,壁面处离子动能减小;当杂质离子浓度增大时,壁面处离子动能与离子种类无关.随着磁场强度的增大,氦离子数密度和沿垂直壁方向的速度在鞘边出现起伏,且波动幅度随着非广延参量的减小而增大,而重离子则无明显的波动.此外,还分析了杂质离子种类和浓度对鞘层相关特性的影响.     

Self-consistent nonlinear resonance and hysteresis of a charged microparticle in a RF sheath

A self-consistent model is proposed to study nonlinear phenomena, such as secondary resonance and hysteresis in the vertical oscillations of a charged microparticle in a radio-frequency sheath. The motion of a single microparticle in the sheath is simulated by solving Newton's equation in which various forces acting on the particle are taken into account. The particle charging and the sheath electric field are described by a self-consistent model of the collisional radio-frequency sheath dynamics. It is found that the nonlinearity is related to the particle's charge, the sheath electric field, and the external excitation force, as well as the ion drag force and neutral-gas friction on the particle.     

Rigid and differential plasma crystal rotation induced by magnetic fields

Observations show that plasma crystals, suspended in the sheath of a radio-frequency discharge, rotate under the influence of a vertical magnetic field. Depending on the discharge conditions, two different cases are observed: a rigid-body rotation (all the particles move with a constant angular velocity) and sheared rotation (the angular velocity of particles has a radial distribution). When the discharge voltage is increased sufficiently, the particles may even reverse their direction of motion. A simple analytical model is used to explain qualitatively the mechanism of the observed particle motion and its dependence on the confining potential and discharge conditions. The model takes into account electrostatic, ion drag, neutral drag, and effective interparticle interaction forces. For the special case of rigid-body rotation, the confining potential is reconstructed. Using data for the radial dependence of particle rotation velocity, the shear stresses are estimated. The critical shear stress at which shear-induced melting occurs is used to roughly estimate the shear elastic modulus of the plasma crystal. The latter is also used to estimate the viscosity contribution due to elasticity in the plasma liquid. Further development is suggested in order to quantitatively implement these ideas.     

具有非广延分布电子的碰撞等离子体磁鞘的结构

很多关于等离子体鞘层的研究工作都是基于电子满足经典的麦克斯韦速度分布函数,而等离子体中的粒子具有长程电磁相互作用,使用Tsallis提出的非广延分布来描述电子更为恰当.本文建立一个具有非广延分布电子的碰撞等离子体磁鞘模型,理论推导出受非广延参数q影响的玻姆判据,离子马赫数的下限数值会随着参数q的增大而减小.经过数值模拟,发现与具有麦克斯韦分布(q=1)电子的碰撞等离子体磁鞘对比,具有超广延分布(q<1)和亚广延分布(q>1)电子的碰撞等离子体磁鞘的结构各有不同,包括空间电势分布、离子电子密度分布、空间电荷密度分布.模拟结果显示非广延分布的参数q对碰撞等离子体磁鞘的结构具有不可忽略的影响.希望这些结论对相关的天体物理、等离子体边界问题的研究有参考价值.     

Untersuchung der Ionenenergieverteilung in einer starken stoßfreien Kompressionswelle

In a strong collisionfree implosion wave generated by a fast theta pinch discharge the density profile and the distribution of ion energies are investigated by spectroscopic methods. At low initial pressures (20 mTorrD ₂) an overturning of the ion sheath leads to an extended density profile and an effective thermalization of the ions in the plane perpendicular to the magnetic field with energies up to 500 eV, which are comparable with the energies of the directed ion motion. However, the thermal ion energies parallel to the direction of the magnetic field are lower by more than a factor of 2. This anisotropy may not be destroyed by ion two-stream instabilities, but possibly by anisotropy instabilities.     

Investigations on ionic processes and dynamics in the sheath region of helium and hydrogen discharges by laser spectroscopic electric field measurements

Temporally and spatially resolved measurements of the electric field distribution in the sheath region of RF and dc discharges provide a detailed insight into the sheath and ion dynamics. The electric field is directly related to the sheath ion and electron densities, the sheath voltage, and the displacement current density. Under certain assumptions also the electron and ion conduction current densities at the electrode, the ion current density into the sheath from the plasma bulk, the ion energy distribution function, and the power dissipated in the discharge can be inferred. Furthermore, the electric field distribution can give an indication of the collision-induced conversion between different ion species in the sheath. Laser spectroscopic techniques allow the noninvasive in situ measurement of the electric field with high spatial and temporal resolution. These techniques are based on the spectroscopic measurement of the Stark splitting of Rydberg states of helium and hydrogen atoms. Two alternative techniques are applied to RF discharges at 13.56 MHz in helium and hydrogen and a pulsed dc discharge in hydrogen. The measured electric field profiles are analyzed, and the results discussed with respect to the ion densities, currents, energies, temporal dynamics and species composition. Received: 26 July 2000 / Accepted: 12 December 2000 / Published online: 3 April 2001