带有射频偏压源的感性耦合Ar/O2/Cl2等离子体放电的混合模拟研究

在刻蚀工艺中,通常会在感性耦合等离子体源的下极板上施加偏压源,以实现对离子能量和离子通量的独立调控.本文采用整体模型双向耦合一维流体鞘层模型,在Ar/O₂/Cl₂放电中,研究了偏压幅值和频率对等离子体特性及离子能量角度分布的影响.研究结果表明:当偏压频率为2.26 MHz时,随着偏压的增加,除了Cl^-离子和ClO⁺离子的密度先增加后降低最后再增加外,其余带电粒子、O原子和Cl原子的密度都是先增加后基本保持不变最后再增加.当偏压频率为13.56和27.12 MHz时,除了Cl^-离子和Cl₂⁺离子外,其余粒子密度随偏压的演化趋势与低频结果相似.随着偏压频率的提高,在低偏压范围内(<200 V),由于偏压源对等离子体加热显著增加,导致了带电粒子、O原子和Cl原子的密度增加;而在高偏压范围内(>300 V),由于偏压源对等离子体加热先减弱后增强,导致除了Cl₂⁺离子和Cl^-     

流体-亚稳态原子传输混合模型模拟空心阴极放电特性

利用流体-亚稳态原子传输混合模型研究了氩气矩形空心阴极放电稳态时的参数. 数值计算得到了压强为10 Torr时的电势、电子、离子和亚稳态氩原子密度以及电子平均能量的分布. 结果表明电子和离子密度峰值为4.7×10¹² cm^-3, 亚稳态原子密度峰值为2.1×10¹³ cm^-3. 本文同时对流体-亚稳态原子传输混合模型和单一流体模型模拟得到的放电参数进行了比较. 结果表明, 分步电离是新电子产生的重要来源, 亚稳态原子对空心阴极放电特性有重要影响. 与单一流体模型相比, 混合模型计算得到的电子密度升高, 阴极鞘层宽度和电子平均能量降低. 关键词： 空心阴极放电 流体-亚稳态原子传输模型 电子密度 分步电离     

大气压氩气/空气针-环式介质阻挡放电发射光谱诊断

为了更加深入地了解氩气/空气等离子体射流内的电子输运过程及化学反应过程,通过针-环式介质阻挡等离子体发生器在放电频率10 kHz,一个大气压条件下对氩气/空气混合气进行电离并产生了稳定的等离子体射流。通过发射光谱法对不同峰值电压下氩气/空气等离子体射流的活性粒子种类、电子激发温度及振动温度进行了诊断。结果表明,射流中的主要活性粒子为N₂的第二正带系、Ar Ⅰ原子以及少量的氧原子,其中N₂的第二正带系的相对光谱强度最强、最清晰,在本试验的发射光谱中没有发现N+₂的第一负带系谱线,这说明在氩气/空气等离子体射流中几乎没有电子能量高于18.76 eV的自由电子。利用Ar Ⅰ原子激发能差较大的5条谱线做最小二乘线性拟合对等离子体射流的电子激发温度进行了计算,得到大气压氩气/空气等离子体射流的电子激发温度在7 000~11 000 K之间。随峰值电压的增大,电子激发温度表现出先增大后减小的变化趋势,这说明电子激发温度并不总是随峰值电压的增长单调变化的。通过N₂的第二正带系对等离子体振动温度进行了诊断,发现大气压氩气/空气等离子体射流振动温度在3 000~4 500 K之间,其随峰值电压的增大而减小,这意味着虽然峰值电压的提高可有效提高自由电子的动能,但当电子动能较大时自由电子与氮分子之间的相互作用时间将会缩短,进而二者之间的碰撞能量转移截面将会减小,从而导致等离子体振动温度的降低。     

N2微空心阴极放电特性及其阴极溅射的PIC/MC模拟

采用两维PIC/MCC模型模拟了氮气微空心阴极放电以及轰击离子 (N₂⁺,N⁺) 的钛阴极溅射. 主要计算了氮气微空心阴极放电离子 (N₂⁺,N⁺) 及溅射原子Ti的行为分布, 并研究了溅射Ti 原子的热化过程. 结果表明: 在模拟条件下, 空心阴极效应是负辉区叠加的电子震荡; 在对应条件下, 微空心较传统空心放电两种离子 (N₂⁺,N⁺) 密度均大两个量级, 两种离子的平均能量的分布及大小几乎相同; 在放电空间N⁺的密度约为N₂⁺的1/6, 最大能量约大2倍; 在不同参数 (P, T, V)下, 轰击阴极内表面的氮离子(N₂⁺,N⁺)的密度近似均匀, 其平均能量几乎相等; 从阴极溅射出的Ti原子的初始平均能量约6.8 eV, 离开阴极约0.15 mm处几乎完全被热化. 模拟结果为N₂微空心阴极放电等离子体特性的认识提供了参考依据. 关键词： 微空心阴极放电 PIC/MC模拟 2等离子体')" href="#">N₂等离子体     

氮气辉光放电阴极鞘层重粒子输运过程研究

采用蒙特卡罗模拟对氮气辉光放电等离子体阴极鞘层内离子(N₂⁺,N⁺)和快中性分子(N_2f)的输运过程进行了研究,计算了阴极鞘层中离子(N₂⁺,N⁺)和快中性分子的能量及角分布的空间变化,较好地解释了实验结果.得到了氮气辉光放电等离子体阴极附近主要存在着能量较低的荷能分子、密度较低的高能原子离子及密度和能量居中的分子离子.诸粒子状态随放电条件而变化.模拟结 关键词：     

氮气射频放电与直流放电PIC/MC模拟的比较

建立氮气容性射频等离子体过程的PIC/MC模型,将模拟结果与直流放电进行比较.结果表明:射频等离子体粒子(e,N₂⁺,N⁺)的平均密度较直流放电约大-个量级,在射频电极附近粒子(e,N₂⁺,N⁺)的平均能量比直流放电阴极附近的能量低3倍左右;密度偏低的原子离子N⁺在两电极附近具较高的能量,能量较低的分子离子N₂⁺在放电空间具较高密度,N₂⁺的密度大约是N⁺的6倍;计算的电子能量几率分布与测量结果-致.     

分子发射光谱法测量微波等离子体气体温度

通过OH自由基A2Σ+→X2Π_r电子带系分子发射光谱测温法,实现了对氩气、氮气、空气三种大气压微波等离子体气体温度的测量。探究了不同微波功率、不同气体流量下气体温度的变化规律,测量了氮气、空气微波等离子体羽流的轴向温度分布。实验结果表明,不同工作条件下微波等离子体核心温度普遍超过2 000 K,空气微波等离子体可超过6 000 K;同样工作条件下三种微波等离子体气体温度满足：T_Ar<T_N2<T_Air;气体温度总体上随微波功率增加而小幅增加,随气体流量下降而小幅降低;氮气与空气等离子体羽流温度沿轴向迅速降低。为验证分子发射光谱测温法的准确性,以热电偶测温作为比对,对温度较低的介质阻挡放电氩气等离子体进行了温度测量,实验表明,分子发射光谱法与热电偶所测结果十分接近。     

离子液体对氩气介质阻挡放电光谱的影响

采用自行设计的介质阻挡放电反应器,以氩气和离子液体为放电介质,实现大气压下稳定的气(等离子体)-液(离子液体)等离子体放电,并运用光谱法在线诊断氩等离子体光谱。考察了不同咪唑基离子液体以及放电参数对大气压氩气介质阻挡放电光谱的影响。结果表明,离子液体的引入降低了氩气放电光谱的强度,谱峰强度与离子液体阳离子咪唑环上的碳链长度有关,且随碳链长度增加,谱峰强度降低;同时阴离子结构对称性低的离子液体,谱峰强度较低。加入离子液体后氩谱随放电电压及放电频率变化均呈现峰值变化。     

光纤激光气体氮化钛合金发射光谱及等离子体研究

激光气体氮化工艺可在钛合金表面快速生成氮化层,提高钛合金表面硬度和耐磨性,促进钛合金应用。采用光纤激光气体氮化Ti-6Al-4V合金,为了明确氮化过程光谱发射区是否形成等离子体,采用探针法检测了光谱发射区导电性;为了研究工艺参数对光谱特性、光谱发射区温度及等离子数量的影响,采用光谱仪采集了氮化过程发射光谱,并采用高速摄像拍摄了光谱发射区域照片。试验表明,光纤激光气体氮化Ti-6Al-4V合金过程中,光谱发射区可以导电,形成了金属蒸汽等离子体,这与CO₂激光气体氮化钛合金工艺过程中形成的氮等离子体完全不同。采用光纤激光氮化Ti-6Al-4V钛合金工艺过程中,工艺参数显著影响金属蒸汽等离子体的数量,当激光功率较大,扫描速度较小,离焦量较小和氮气含量较高时,光谱发射区可产生金属蒸汽等离子体。氮化过程发射光谱由连续光谱和线状光谱组成,连续光谱主要由热辐射产生,连续光谱强度可以表征光谱发射区温度,线状光谱主要由等离子区域原子核外电子跃迁产生,线状光谱强度可以表征等离子体数量。氮化过程,随激光功率增大或扫描速度减小,连续光谱和线状光谱增强,表明光谱发射区温度升高,等离子体数量增加;随离焦量增大,连续光谱和线状光谱呈先减小后增大之后又减小的复杂变化趋势,表明光谱辐射区温度先降低后升高之后又降低,等离子体数量先减少后增加之后又减少;氮气中加入少量氩气,可强烈影响氮化过程,使连续光谱和线状光谱大幅减弱,随氩气流量进一步增加,线状光谱和连续光谱继续减弱,表明氮气中加入少量氩气使光谱发射区温度大幅降低,等离子体数量大幅减小,随氩气量进一步增加,光谱发射区温度继续降低,等离子体数量继续减少。     

氘钛等离子体高压查尔特鞘层特性理论研究

建立了混合多组分等离子体高压查尔特鞘层动力学模型,数值研究了氘钛等离子体高压查尔特鞘层特性。理论与数值研究结果表明,提升D+离子比例、降低D+离子及Ti2+离子入鞘速度、降低等离子体密度等方式,均会有效增加鞘层厚度,并降低靶面场强幅值,这些方式有利于离子汇聚传输和降低靶面击穿风险。随加速电压的增加,离子引出稳定工作区域范围呈现先增加后减小的趋势。增加D+离子比例、减小D+离子及Ti2+离子入鞘速度,均会显著增加离子引出稳定工作区域范围。     

N_2-H_2容性耦合等离子体电非对称效应的particle-in-cell/Monte Carlo模拟

H_2-N_2混合气体电容性耦合射频放电在有机低介电系数材料刻蚀中具潜在研究意义.采用paxticle-incell/Monte Carlo模型模拟了双频(13.56 MHz/27.12 MHz)电压源分别接在结构对称的两个电极上的H_2-N_2容性耦合等离子体特征,研究了其电非对称效应.模拟结果表明,通过调节两谐波间的相位角θ,可以改变其电场、等离子体密度、离子流密度的轴向分布及离子轰击电极的能量分布.当相位角θ为0°时,低频电极(晶片)附近主要离子(H_3~+)的密度最小,离子(H_3~+,H_2~+,H~+)轰击低频电极的流密度及平均能量最高;当θ从0°变化90°时,低频电极的自偏压从-103V到106V近似线性增加,轰击电极的离子流密度变化约±18%,H~+离子轰击低频电极的最大能量约减小2.5倍,轰击电极的平均能量约变化2倍,表明氢离子能量和离子流几乎能独立控制.     

电负性气体的掺入对容性耦合Ar等离子体的影响

本文利用朗缪尔静电探针对掺入了电负性气体O₂, Cl₂, SF₆的由4068 MHz激发的单射频容性耦合Ar等离子体进行了诊断测量. 测量结果表明: 随着电负性气体流量的增加, 电子能量概率分布函数出现了高能峰, 高能峰且有向高能侧漂移的现象; 电负性气体掺入Ar等离子体后显著降低了等离子体的电子密度; 电子温度随着电负性气体流量比的增加而升高. 另外, 本文还测量了掺入三种电负性气体后在不同流量比下的混合气体等离子体的电负度α . 对实验现象进行了初步的解释. 关键词： 电负性等离子体 电子密度 电子温度 电负度     

高气压均匀直流辉光放电等离子体的光学特性

在高气压(大于100 Torr, 1 Torr=1.33322×10² Pa)平板位形的均匀直流辉光放电中, 一定条件下观察到平行排列的明暗相间的等离子体辉纹. 结合等离子体的光发射谱诊断, 研究了气体组分对等离子体光学特性的影响. 研究发现, 随着甲烷浓度的增加, 辉纹间距减小, 相应的电子激发温度降低. 当甲烷浓度增加时, 等离子体中低电离能的粒种增加, 粒子平均电离能减小, 这种情况下, 电子被电场加速较短的距离所获得的能量就可以激发粒子, 产生可见的光发射, 表现为辉纹间距缩短. 随着氩气的引入, 能够观察到明显的辉纹, 且增大氩气含量, 辉纹间距增加, 这与氩的较高电离能有关, 而相应的电子激发温度增加. 研究结果表明, 随着工作气体的改变, 等离子体辉纹间距呈现出一种对电子温度的响应.     

Measurement of neutral gas temperature in inductively coupled plasmas

Dependence of the neutral gas temperature on the gas pressure and discharge power in an inductively coupled plasma source has been investigated using optical emission spectroscopy. Both nitrogen and argon plasmas have been studied separately. In the case of argon plasma, about 5% nitrogen was added to the total gas flow as an actinometer. The maximum temperature was found to be as high as 1850 K at 1 Torr working pressure and 600 W radiofrequency power. The temperature increases almost linearly with the logarithm of the gas pressure, but changes only slightly with the discharge power in the range of 100–600 W. In a nitrogen plasma, a sudden increase in the neutral gas temperature occurs when the gas pressure is increased at a given discharge power. This suggests a discharge-mode transition from the H-mode (high plasma density) to the E-mode (low plasma density). In the H-mode, the gas temperature is proportional to the logarithm of the gas pressure, as in the argon plasma. However, the gas temperature increases almost linearly with the discharge power, which is in contrast to the case of argon plasma. The electron density in the nitrogen plasma is about 10% of that in the argon plasma. This may explain the observation that the nitrogen neutral temperature is always lower than the argon neutral temperature under the same discharge power and gas pressure.     

Study of hysteresis behavior in reactive sputtering of cylindrical magnetron plasma

In order to make sufficient use of reactive cylindrical magnetron plasma for depositing compound thin films, it is necessary to characterize the hysteresis behavior of the discharge. Cylindrical magnetron plasmas with different targets namely titanium and aluminium are studied in an argon/oxygen and an argon/nitrogen gas environment respectively. The aluminium and titanium emission lines are observed at different flows of reactive gases. The emission intensity is found to decrease with the increase of the reactive gas flow rate. The hysteresis behavior of reactive cylindrical magnetron plasma is studied by determining the variation of discharge voltage with increasing and then reducing the flow rate of reactive gas,while keeping the discharge current constant at 100 m A. Distinct hysteresis is found to be formed for the aluminium target and reactive gas oxygen. For aluminium/nitrogen, titanium/oxygen and titanium/nitrogen, there is also an indication of the formation of hysteresis; however, the characteristics of variation from metallic to reactive mode are different in different cases. The hysteresis behaviors are different for aluminium and titanium targets with the oxygen and nitrogen reactive gases, signifying the difference in reactivity between them. The effects of the argon flow rate and magnetic field on the hysteresis are studied and explained.     

环位形下鱼骨模驱动快离子输运的数值模拟研究

考虑包含动理学效应的鱼骨模结构,使用导心轨道程序 ORBIT,在磁面坐标下研究了不同的扰动模 幅度、频率对快离子再分布的影响,并分析了粒子与扰动发生共振的条件。模拟得出,鱼骨模扰动会使快离子在 实空间、相空间中发生再分布,芯部( ψ_p/ψ _w≤0.2 ,ψ_p 为极向磁通,ψ_w 为最后一个闭合磁面的磁通)快离子密 度下降约 20%,中间磁面位置上( ψ_p/ψ _w≥0.2,ψ_p/ψ _w≤ 0.6)的快离子密度增加约 7%;通过扫描频率发现,相空间中快 离子的再分布对模式频率敏感,并分析了快离子与鱼骨模扰动共振的条件。     

Experimental Studies of Demixing in Ar–N Plasmas Produced in a Wall‐Stabilized Arc

Plasmas produced in a wall stabilized arc in mixtures of argon and nitrogen, containing different amounts of these elements have been studied. The plasma composition turns out to be very important to the process of demixing in radial direction. In plasmas containing mainly argon, the argon mass fraction reveals a local minimum on the arc axis while in plasmas containing large amount of nitrogen the argon mass fraction have a maximum on the arc axis. The increase of nitrogen amount in Ar–N plasma influences the radial temperature profile causing a decrease of the temperature in plasma layers close to the stabilizing wall and an increase on the axis of plasma column. (© 2008 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Comparative Study on Excitation Mechanism of Chromium Emission Lines in Argon Radio‐Frequency Inductively‐Coupled Plasma,Nitrogen Microwave Induced Plasma,and Argon or Nitrogen Glow Discharge Plasmas

Boltzmann plots of both atomic and ionic chromium emission lines are investigated to compare the excitation mechanisms in four different plasmas: an argon inductively‐coupled plasma (Ar‐ICP), a nitrogen high‐power microwave induced plasma (N₂‐MIP), an argon glow discharge plasma (Ar‐GDP), and a nitrogen glow discharge plasma (N₂‐GDP). The plots of the atomic lines and the ionic lines give both linear relationships as well as similar excitation temperatures in the case of the Ar‐ICP, the N₂‐MIP, and the N₂‐GDP. It implies that a thermodynamic process such as electron collision would control their excitations. However, only in the case of the ionic‐line plot in the Ar‐GDP, a departure from linear relationship is observed and the estimated excitation temperature is rather higher than that with the atomic lines, meaning that a specific excitation mechanism exists in the Ar‐GDP. A possible explanation for these results is that a charge‐transfer collision between chromium atom and argon ion plays a dominant role in exciting highly‐lying energy levels of chromium ion, especially in the Ar‐GDP.     

Strahlungsenergietransport mit Absorption in zylindrischen Bögen

For temperatures above 12,000 °K the contribution of non-transparent radiation becomes very important for the energy transport in argon and nitrogen arc plasmas. Formulas for the radiation flux and the difference between emission and absorption of radiation per unit volume and time are given generally and furthermore for arcs of cylindrical symmetry. For argon arcs at normal pressure with axial temperatures between 10,000 and 16,000 °K the radiative behaviour is investigated and the share of transparent and non-transparent radiation on the total energy flux is computed. The influence of different assumptions made on the amount of emission and absorption on theE(I)-characteristic and the radial temperature distributions is shown.