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     

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N2-Ar射频放电等离子体广泛应用于微电子工业的刻蚀、氮化物薄膜的制备及金属表面氮化等技术领域。开发了N2-Ar混合气体容性耦合射频放电PIC/MC自洽模型,模型主要描述了e-,N2+,N+,Ar+等主要带电粒子的行为分布。等离子体的碰撞过程分别考虑了带电粒子(e-,N2+,N+,Ar+)与基态中性N2分子和Ar原子的21种碰撞反应过程。模拟结果表明,在纯N2及N2-Ar混合气体容性耦合射频放电中,各种带电粒子的数密度都在等离子体区达到最大值,且氮分子离子为主要粒子;在N2容性耦合射频放电中,加入10%氩气时,N+平均能量有所增加,在射频电极处两种氮离子(N2+,N+)高能粒子所占比例增加。本研究对认识N2-Ar射频放电等离子体过程微观机理具重要意义。     

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开发了氮空心阴极放电PIC/MC二维自洽模型。研究了N2传统空心阴极向微空心阴极放电转变过程中电势和电场的变化。结果表明,不同尺寸的空心阴极放电的电势及电场分布规律几乎类似,但空心阴极孔径减小且气压增加时,电场近似线性增加;典型微空心阴极电场比传统空心阴极放电电场约大3个量级;微空心阴极放电产生的电子,氮分子离子和氮原子离子的密度比传统空心阴极放电约大3个量级,且微空心阴极放电中,N2+密度比N+密度大8倍以上。     

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.      

负偏压射频放电过程的流体力学模拟

采用流体力学方法研究了负偏压射频放电的物理过程,计算了带电粒子密度及电场的时空分布,分析了在不同的近似条件下,离子动量平衡方程中各项的贡献。     

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采用PIC-MC自洽模型,模拟了氮气电容性耦合射频放电的微观等离子体过程及带电粒子(e,N2+,N+)的行为。结果表明,离子(N2+,N+)的运动状态滞后瞬时射频电场的变化;在两极附近,N2+具较高密度,但能量较低,N+具较低的密度但能量较高,两者的密度差6倍左右。两种离子轰击射频电极的能量分布变化规律类似,随放电参数变化,离子(N2+,N+)能量变化显著,其密度变化不明显。模拟的电子能量几率分布与测量结果一致。     

用发射光谱法测量氮气直流辉光放电的转动温度

本文报道了氮气气压分别为10和20Pa时，对直流辉光放电的发射光谱进行测量和分析的结果。选择的研究对象为N2放电中形成的N2^ B^2∑u^ →X^2∑g^ 跃迁的Δv=v′-v″=0谱带系中v′=0→v″=0谱带的R支。在阴极背面辉光区、阴极鞘层区、正柱区以及阳极辉光区中分别选择一点进行了转动分辨的发射光谱的测量。利用自己编写的光谱拟合程序，获得了相应的实验条件下N2^ 的转动温度，给出了转动温度随放电电压的变化趋势，其结果可以用直流放电的帕邢定律得到很好的解释。在10和20Pa气压下，放电的阴极鞘层区、正柱区、阳极辉光区中的转动温度都随放电电压呈现出了不同的变化趋势，甚至是完全相反的变化趋势。我们认为这是由于气压不同时，放电状态不同所致：气压为10Pa时的放电是正常辉光放电，而气压为时20Pa的放电为反常辉光放电。     

氮气/氨气的高压快脉冲放电光谱研究

本文测量了氮气、氨气及其混合气体的快脉冲放电等离子体的光谱,用光谱分析方法研究了等离子体成分及其与气压和配比的关系,并讨论了在制备氮化物时使用氮、氨混合气体的有利之处。     

增强辉光放电等离子体离子注入的三维PIC／MC模拟

采用三维粒子模拟／蒙特卡洛模型自洽地模拟了增强辉光放电等离子体离子注入过程中离子产生和注入,获得了放电空间的离子总数、电势分布、等离子体密度分布和离子入射剂量等信息．模拟结果表明,5μs时鞘层达到稳定扩展,15μs时离子的产生与注入达到平衡,证实了增强辉光放电等离子体离子注入能在一定条件下实现白持的辉光放电．注入过程中,在点状阳极正下方存在一个高密度的等离子体区域,证实了电子聚焦效应．除靶台边缘外,离子的注入速率稳定且入射剂量均匀．脉冲负偏压提高时注入速率增加但入射剂量的均匀性变差．     

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开发了氢气甚高频(60MHz)容性耦合放电的PIC/MC模型.在模型中考虑了带电粒子(e,H+,H2+,H3+)与H2的21种碰撞反应过程,模拟了氢气甚高频放电射频电场和电势分布以及电子和氢离子(H+,H2+,H3+)粒子密度和平均能量分布,并与频率为13.56MHz的放电结果进行了比较.结果表明,相对于频率13.56MHz的放电,氢气甚高频放电等离子体电势增高,导致两电极附近的电场增强;另外,两鞘层厚度变窄并且电子和H3+离子平均能量减小,其总密度却增加.H3+离子为氢气甚高频放电空间的主要离子,H2+离子密度比H3+离子小约2～3个数量级.     

电子回旋共振放电电离特性的PIC/MCC模拟

A theoretical and computational model is presented to study the ionization of the argon electron cyclotron resonance(ECR)microwave discharge using a quasi-three-dimensional electromagnetic particle-in- cell plus Monte Carlo collision method.The interaction between the charged particles and microwave fields are described by the electromagnetic mode of particle-in-cell method.The collision processes are treated with Monte Carlo method.The simulation code is the original work.The results of the particle simulation for the ECR discharge of argon gas which include the microscopic features of charged particles and the electromagnetic characteristics of the ECR discharge plasma,and also the transient phenomena have been presented.     

N2/Ti微空心阴极放电等离子体阴极溅射模拟

采用Monte Carlo方法模拟N2/Ti微空心阴极放电等离子体阴极溅射过程,其中,氮离子(N2+,N+)轰击阴极表面采用PIC/MC模型模拟.计算溅射钛原子的热化过程、钛原子的密度及其平均能量分布.结果表明,沿各方向溅射出的90%金属Ti原子所带的初始能量小于30 eV,其散射角主要分布在30°和60°之间;溅射Ti原子在离微空心阴极壁约0.04 mm处出现热化极大值.     

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采用粒子模拟与蒙特卡罗模型相结合(PIC/MCC)的方法,建立了氮分子气体辉光放电自洽的混合模型,其中带电粒子在电场中的运动及其产生的自洽场由PIC方法的静电模型描述,粒子间的碰撞过程由MC方法描述。模拟了放电过程及带电粒子(e、N2+、N+)在整个放电空间的行为及与之对应的自洽电场和电势的分布,通过计算带电粒子在负辉区的几率分布函数,讨论了带电粒子(e、N2+、N+)在负辉区的行为和分布特征。计算的分子离子密度与实验结果一致。     

氮等离子体枪中电子输运行为的蒙特卡罗模拟

采用蒙特卡罗模拟,对氮等离子体枪的两个环形电极间的氮气辉光放电过程中电子的输运过程进行研究.计算在不同平均电场与粒子数密度的比值(E/N)下,电子与氮分子发生不同碰撞的概率、出射电子的平均能量、方向角分布和电子的能量分布.结果表明,电子能量近似服从玻尔兹曼分布.随着E/N的升高,电子平均能量升高,发生激发、离化、电离和离化电离碰撞的概率增大;非均匀分布的电场使分子获得更高的离化率,同时显著增强出射电子的能量.模拟结果为等离子体应用设计提供了参考依据.     

空心阴极类火花放电初始电离过程的PIC/MCC模拟

采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)的方法,应用静电模型,编写了准三维的模拟程序.该程序能够较好地描述空心阴极类火花放电初始电离过程的演化步骤.通过研究电离过程的细节,可以认为该阶段电离过程是空心阴极效应和局部强电场共同作用的结果.从起始电离到空心阴极初始阶段,局部强电场在电离过程中起到了支配作用;随后空心阴极效应占据主导地位. 关键词： 粒子模拟 蒙特卡罗 空心阴极 类火花放电     

大气压介质阻挡辉光放电中放电电流的测量与分析

介质阻挡放电产生的低温等离子体具有广泛的应用前景而成为研究热点。文章利用平行平板介质阻挡放电装置,在流动的氦气中实现了大气压均匀辉光放电,得到了大气压下的均匀等离子体。利用电学方法将放电电流从总电流中分离出来,从而得到了辉光放电的放电电流。通过分析放电电流、外加电压、气隙上电压以及壁电荷电量之间的相互关系,可以研究气体放电过程中壁电荷积累的微观动力学行为。实验结果表明壁电荷主要是在放电电流脉冲持续期间积累的,但电流脉冲结束后,由于气隙电压没有改变极性,壁电荷还会逐渐积累,气隙电压改变极性后,壁电荷量随时间减小。这些结果对壁电荷在介质阻挡辉光放电中作用的深入研究和大气压介质阻挡辉光放电的工业应用具有重要意义。     

Silcone Catheter Sterilization by Microwave Plasma; Argon and Nitrogen Discharge

Sterilization capability of 2.45GHz Electron Cyclotron Resonance plasma system on silicone catheter is investigated for Ar and N2 gas discharges. E.coli, MRSA, Basillus cereus and Bacillus subtilis bacteria infected silicone catheter pieces are tested for sterilization. Basillus subtilis, which is a spore type bacteria, is determined as the most resistant one, and non spore type bacteria, Escherichia coli, is determined as the easiest one. The results show that nitrogen -N2 discharge has better sterilizing effects than Ar discharge by 15% less in time. Doubling the applied microwave source power decreases sterilization time scanty. Sterilization of silicone catheter is less than an hour for above bacteria types. Plasma discharge sterilization preserves the chemical integrity of polymer — based instruments.     

Ar/H2O大气压等离子体射流放电特性

为了研究水蒸气体积分数对大气压等离子体射流放电机理及放电效率的影响,进而产生高活性低温等离子体并优化其效率。通过对大气压氩水等离子体射流的电压电流波形和Lissajous图形等电气特性的测量及发射光谱和发光图像等光学特性诊断,研究了不同水蒸气体积分数时,等离子体射流的放电特性。通过计算放电功率、传输电荷量、电子激发温度、分子振动温度和分子转动温度等主要放电参量,研究了它们随水蒸气体积分数的变化趋势,并结合放电机理对所得实验结果进行分析。结果表明,Ar/H2O等离子体射流除了产生N2和Ar,还有OH和O,气体温度在525~720 K之间变化,为典型的低温等离子体;随着水蒸气体积分数的增加,等离子体羽喷出管口的长度减小,放电功率减小,发光强度减弱,转动温度和振动温度增加;相同功率下,水蒸气体积分数为0.5%时,产生的OH达到最大。