直流偏置对射频容性耦合放电特性的影响

直流偏置能较好抑制射频容性耦合等离子体(radio frequency capacitively coupled plasma, RF-CCP)表面充电效应, 但仍存在其对RF-CCP放电参量影响规律不明确, 电源对参量控制复杂等问题. 构建了直流源与射频源的板-板结构RF-CCP仿真模型, 在射频源基础上施加负直流源, 研究直流偏置对RF-CCP放电特性影响, 并比较射频与直流偏置对放电参量影响差异. 结果表明, 无直流源时, 周期平均电子密度N_{e, ave}, 周期平均电子温度T_{e, ave}均为对称分布, N_{e, ave}呈现两端小、中间大的凸函数分布, T_{e, ave}在距极板4 mm以内鞘层区均有陡然上升, 极大值出现在距极板1 mm左右处; 直流源会使等离子体主体区N_{e, ave}升高并发生偏移, 直流源侧N_{e, ave}降低, 对侧N_{e, ave}增加, 且对侧增加速率较快. 直流偏置可改善单侧电子温度与电子通量, 但提高电子密度能力弱于射频源. 实际工程中, 若欲提高单侧电子温度与电子通量, 应施加直流源, 若提高整体电子密度, 应提高射频源功率.      

射频容性耦合等离子体放电特性的光谱诊断

利用流体模型模拟和发射光谱实验诊断相结合的方法,研究了中等气压、中等功率下射频容性耦合等离子体的放电特性。理论上,采用基于流体模型的COMSOL软件仿真,建立一维等离子体放电模型,以Ar气为工作气体,研究了不同气压以及不同射频输入功率下等离子体电子温度和电子密度的分布规律。实验上,依据仿真模型设计制作了相同尺寸的密闭玻璃腔体和平板电极,采用13.56 MHz射频放电技术电离腔体内的工作气体Ar气,测量了不同气压、不同射频输入功率时放电等离子体的发射光谱。通过分析和选择适当的Ar Ⅰ和Ar Ⅱ的特征谱线,分别利用玻尔兹曼斜率法以及沙哈-玻尔兹曼方程计算了等离子体的电子温度与电子密度,并结合模拟仿真结果对光谱诊断结果进行了修正。结果表明：当气体压强为300~400 Pa、输入功率为600~800 W时,等离子体近似服从玻尔兹曼分布,此时利用光谱法得到的等离子体参数与仿真结果相符合。仿真模拟与光谱实验诊断相结合的方法可初步诊断出中等气压下等离子体的放电参数,增加了玻尔兹曼斜率法和沙哈-玻尔兹曼方程在等离子体放电中的使用范围,扩大了光谱法在低电子密度容性耦合等离子体参数诊断的应用场合,为中等气压容性耦合等离子体在工业与军事上的应用研究提供了重要物理状态的分析手段。     

双频容性耦合等离子体密度径向均匀性研究

利用自主研制的全悬浮双探针, 对影响双频容性耦合等离子体径向均匀性的因素进行了研究. 发现低频功率、放电气压和放电间距对径向均匀性有明显影响. 合适的低频功率、放电气压及较大的极板间距可以得到更均匀的等离子体. 采用与实验相同的放电参数, 利用改进的二维流体模型进行理论模拟, 得到了不同极板间距下径向离子密度分布, 并和实验测量结果进行了比较, 两者的变化趋势基本符合. 关键词： 双频容性耦合等离子体 径向均匀性 全悬浮双探针 二维流体模型     

不同频率驱动下容性耦合Ar等离子体随气压变化的放电特性

讨论了在驱动频率分别为13.56MHz、40.68MHz、94.92MHz和100MHz,功率为40W,气压由3.3～26.6Pa下的容性耦合Ar等离子体的放电特性。利用光谱相对强度法分别诊断了电子激发温度和电子密度。采用粒子模拟和蒙特卡罗碰撞模型(PIC/MCC),模拟了上述实验条件下中心处电子密度和电子能量概率分布(EEPF)。结果表明,在每一个驱动频率下,电子密度均随放电气压的增加而增加,而电子温度则随气压增加而降低。驱动频率为13.56MHz和40.68MHz的电子密度随气压变化趋势几乎一致,而94.92MHz和100MHz的电子温度则随气压变化趋势几乎一致。通过比较EEPF,电子温度随气压的增加有下降的趋势,与光谱诊断结果基本吻合。     

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.     

13.56 MHz 低频功率对60 MHz射频容性耦合等离子体的电特性的影响

使用补偿朗缪尔探针诊断技术,研究了60MHz/13.56MHz双频激发容性耦合等离子体的空间电子行为,得到了电子能量概率函数(EEPF)随径向位置和低频输入功率的演变行为. 实验结果表明,13.56MHz射频输入功率的变化主要影响低能电子的布居,其影响随气压升高而加大. 在等离子体放电中心以外,EEPF呈现出双峰分布的特性,同时发现从放电中心到极板边缘,次能峰有逐渐向高能区漂移的现象,次能峰的出现显示了中能电子的增强的加热效应. 通过EEPF方法,计算了等离子体的电子温度、电子密度. 讨论了等离子体中的电 关键词： 双频激发容性耦合等离子体 朗缪尔探针诊断 电子加热模式     

容性耦合射频氩等离子体放电诊断研究及仿真模拟

针对中等气压、中等功率下射频容性耦合(CCRF)等离子体的放电特性,采用基于流体模型的COMSOL软件仿真,建立一维等离子体放电模型,以Ar为工作气体,研究同一气压时不同射频输入功率下等离子体电子温度和电子密度的分布规律。同时依据仿真模型设计制作相同尺寸的密闭玻璃腔体和平板电极,实验测量了不同射频输入功率时放电等离子体的有效电流电压及发射光谱,进而计算等离子体的电子温度及电子密度;利用玻耳兹曼双线测温法,得到光谱法下等离子体的电子温度及电子密度。结果表明：当气体压强为250 Pa、输入功率为100~450 W时,等离子体电压电流呈线性关系,电子密度随功率的增大而增大,而电子温度并未随功率的变化而有明显变化,其与功率无关。运用仿真模拟验证了实验的准确性,通过比较,三种方法所得的结果相近。通过结合等效回路法、光谱法和数值模拟仿真法初步诊断出中等气压下等离子体的放电参数,提出了结合三种方法作为实验研究的方法,使实验结果更具说服力,证明其方法的可靠性,也为进一步的等离子体特性研究提供依据。     

气压对于低气压双频容性耦合Ar/O2 等离子体放电特性影响的研究

 研究了气压对双射频氩氧混合等离子体电子温度和电子密度的影响。在13.56MHz低频功率和94.92MHz高频功率固定为60W和氩氧气体比为1:9的情况下,利用发射光谱法分析了气压不同时氩氧混合等离子体的放电光谱中的特征谱线的变化规律。使用一维质点网格法(PIC-MC)静电模型计算了电子温度和电子密度。结果表明：电子温度随着气压的增加先降低后升高,与实验结果趋势相吻合;电子密度随着气压的增加先增大后减小。     

双频容性耦合等离子体相分辨发射光谱诊断

采用相分辨发射光谱法, 对双频容性耦合纯Ar和不同含O₂量的Ar-O₂混合气体放电等离子体的鞘层激发模式进行了探究. 在射频耦合电源上极板的鞘层区域处观察到两种电子激发模式: 鞘层扩张引起的电子碰撞激发模式和二次电子引起的电子碰撞激发模式; 并发现这两种激发模式均受到低频射频电源周期的调制. 在纯Ar放电等离子体中, 两种激发模式的激发轮廓相似; 而在Ar-O₂混合气放电等离子体中, 随着含O₂量的增加, 二次电子的激发轮廓变弱. 此外, 利用相分辨发射光谱法对不同含O₂量的Ar-O₂混合气放电下Ar的 750.4 nm谱线的平均低频电源周期轴向分布进行了研究, 得到了距耦合电源上极板约3.8 mm处为双频容性耦合射频等离子体的鞘层边界. 关键词： 双频容性耦合等离子体 等离子体鞘层 发射光谱     

柱面天线射频感性耦合等离子体放电模式特性的实验研究

利用Z-scan、电流、电压探头,通过测量等离子体吸收功率、天线电流、电压、等离子体直流悬浮电位等多种参数,研究了匹配网络、天线耦合强度、导电地面积、气压等多种因素对E,H放电模式特性及模式转化行为的影响.基于Γ型阻抗匹配网络中串联电容对射频电源输出功率的影响,提出了E—H放电模式转化的正负反馈区概念.研究发现：在相同的其他放电条件下,处于正反馈区时等离子体放电易于产生跳变型模式转化,而且模式跳变的临界天线电流、回滞宽度、跳变临界功率、跳变功率差等参数均随阻抗匹配网络参数产生明显变化;在负反馈区内,模式转化过程趋于连续.由于阻抗匹配网络的影响,E—H模式的跳变电流并不是总大于H—E模式的跳变电流.在不同导电地面积、阻抗匹配网络、气压下,模式转化过程中等离子体直流悬浮电位的变化呈现多样性. 关键词： 射频等离子体 感性耦合 容性耦合 模式转化     

One-dimensional hybrid simulation of the electrical asymmetry effect caused by the fourth-order harmonic in dual-frequency capacitively coupled plasma

A one-dimensional hybrid model was developed to study the electrical asymmetry effect(EAE) caused by the fourthorder harmonic in a dual-frequency capacitively coupled Ar plasma.The self-bias voltage caused by the fourth-order frequency changes periodically with the phase angle,and the cycle of self-bias with the phase angle is π/2,which is half of that in the second-order case.The influence of the phase angle between the fundamental and its fourth-order frequency on the ion density profiles and the ion energy distributions(IEDs) were studied.Both the ion density profile and the IEDs can be controlled by the phase angle,which provides a convenient way to adjust the sheath characters without changing the main discharge parameters.     

Effect of pressure and space between electrodes on the deposition of SiN_xH_y films in a capacitively coupled plasma reactor

The fluid model, also called the macroscopic model, is commonly used to simulate low temperature and low pressure radiofrequency plasma discharges. By varying the parameters of the model, numerical simulation allows us to study several cases, providing us the physico-chemical information that is often difficult to obtain experimentally. In this work, using the fluid model, we employ numerical simulation to show the effect of pressure and space between the reactor electrodes on the fundamental properties of silicon plasma diluted with ammonia and hydrogen. The results show the evolution of the fundamental characteristics of the plasma discharge as a function of the variation of the pressure and the distance between the electrodes. By examining the pressure-distance product in a range between 0.3 Torr 2.7 cm and 0.7 Torr 4 cm, we have determined the optimal pressure-distance product that allows better deposition of hydrogenated silicon nitride(Si N_x H_y)films which is 0.7 Torr 2.7 cm.     

气压对微束射频容性放电模式调制的研究

微束射频容性放电在纳米晶体颗粒等离子体增强气相合成有着潜在的应用前景.本论文利用ICCD、单反相机、高压探头和电流探头等对微束射频容性放电特性进行了实验诊断研究.结果发现:在纯氩气微束射频放电中,随着气压的增加,放电从辉光放电模式向多通道丝状放电模式转换;在99%氩/1%氢混合气体微束射频放电中,丝状放电模式消失,而是从低气压全空间分布的辉光放电模式,到中等气压向轴心收缩的辉光放电模式,最后到高气压的“环状”辉光放电模式;而在纯氢气微束射频放电中,随着气压的增加,放电模式直接从全空间分布的辉光放电模式向“环状”辉光放电模式转换.最后通过射频电场中电子加热、趋肤效应和气体热传导的共同作用解释了产生不同放电模式的物理机制.     

Plasma characteristics and broadband electromagnetic wave absorption in argon and helium capacitively coupled plasma

A one-dimensional self-consistent calculation model of capacitively coupled plasma(CCP) discharge and electromagnetic wave propagation is developed to solve the plasma characteristics and electromagnetic wave transmission attenuation.Numerical simulation results show that the peak electron number density of argon is about 12 times higher than that of helium, and that the electron number density increases with the augment of pressure, radio frequency(RF) power, and RF frequency. However, the electron number density first increases and then decreases as the discharge gap increases. The transmission attenuation of electromagnetic wave in argon discharge plasma is 8.5-d B higher than that of helium. At the same time, the transmission attenuation increases with the augment of the RF power and RF frequency, but it does not increase or decrease monotonically with the increase of gas pressure and discharge gap. The electromagnetic wave absorption frequency band of the argon discharge plasma under the optimal parameters in this paper can reach the Ku band. It is concluded that the argon CCP discharge under the optimal discharge parameters has great potential applications in plasma stealth.     

微腔等离子体放电过程的数值研究

采用2维自洽完全流体模型,数值研究了阳极为通孔的高气压微腔放电结构中等离子体参数的变化过程。模拟结果获得了当氩气压强为13.3 kPa时,放电中的电势分布、等离子体密度分布、径向电场分布和电子温度分布等重要参数的演化过程。模拟结果表明在放电过程中,阴极附近的电场由轴向电场逐步转变为径向电场,等离子体密度最大值位于放电腔中间处,并随时间推移由阳极附近向阴极附近移动,电子温度的最大值出现在阴极环形鞘层区域。     

放电功率变化对电磁波在电感耦合闭式等离子体中的衰减特性

射频电感耦合等离子体(ICP)放电方式能够在较宽的压强范围内产生大面积、密度高的等离子体,在对电磁波衰减应用中具有较大优势。通过研究ICP等离子体与电磁波相互作用的过程,改进闭式等离子体模型,建立电磁波在非均匀等离子体中传播的分层计算模型,对实测诊断分布情形下等离子体与电磁波的相互作用进行研究,得到不同功率条件下电磁波衰减的变化情况;提出射频电感耦合闭式等离子体用于电磁波衰减的方法并实验验证,基于等离子体覆盖金属平板的测量模型,在实验室内搭建了以金属板为衬底的弓形微波反射测试系统,研究了闭式等离子体对4～8 GHz频段范围内微波反射的作用特性,以及不同射频功率对微波反射的影响规律,并将实验测量与计算结果进行对比分析。实验表明,通过功率调节,电感耦合闭式等离子体对5.92～6.8 GHz频带电磁波具有明显的衰减作用。