低气压射频氩气辉光放电等离子体物理特性的数值研究

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辉光放电等离子体工艺符合现代的环保工艺,而且设备费用和维护保养费用较低,因此它被广泛应用于微电子领域,比如等离子体刻蚀和薄膜沉积,半导体加工、化工、医疗以及环保等许多科学技术领域。在低气压条件下,辉光放电等离子体是比较容易产生的,因为相对于大气压或高气压放电而言低气压辉光放电的击穿电压较低,放电均匀且稳定,并且不容易过渡到弧光放电或者丝状放电。  由于等离子体要比非电离气体复杂很多,至今,许多相关的内部机制仍然未被完全了解,特别是在电子加热机制方面。为了提高低温等离子体的应用效率,因此很有必要对放电等离子体物理特性做深入、细致的研究。为此,基于漂移扩散近似理论,本文采用流体模拟的方法对低气压射频氩气辉光放电等离子体特性进行了较为系统的研究。  本文工作主要分两部分来研究低气压下氩气辉光放电现象。第一部分工作中,通过数值计算和分析,我们得到了等离子体基本宏观物理量(电子密度,离子密度,等离子体温度,电场,电势)随时间变化的空间分布。更重要的是,我们还得到了电离率,电子净能量的吸收,电子功率沉积以及电子能量转移和耗散随放电时间变化的空间分布。模拟研究的结果可以很好的引导实验研究中各种参数的有效调节,对实验研究的顺利进行提供理论基础。  电子加热机制依赖于各种放电条件,比如气体种类、气体压强、射频电源的激发频率和电势、电极间距等。然而,作为辉光放电最重要的物理参数之一,二次电子发射系数γ对电子加热机制的影响还没有被详细的研究过。因此,本文的第二部分工作就研究了γ对低气压射频氩气辉光放电等离子体特性的影响。结果表明:当γ越大时,放电达到稳态所需要的射频周期数越多,产生的等离子体密度也越大。随着γ的增大,周期平均的电场、电势和电子温度的变化都不明显。另外,当γ从0.01增加到0.3,周期平均的电子净能量吸收、电子功率沉积、电子能量转移和耗散,以及电离率都有不同程度的增加。但是,电子能量耗散和电离率比较特殊,当γ较大时,放电过程中在每个鞘层附近都会出现两个峰值。在当前模拟的放电条件下,即使γ很大,放电依然处于一个混杂的α-γ放电状态。
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