射頻容性耦合等離子體(Radio-Frequency Capacitively Coupled Plasmas,RF-CCP)源,具有結(jié)構(gòu)簡單,并且能夠產(chǎn)生高密度的等離子體的優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于低溫等離子體放電技術(shù)中。由于數(shù)值模擬具有成本低、效率高的優(yōu)點(diǎn),所以常被用來研究等離子體的特性,常用到的數(shù)值模擬方法主要有PIC-MC(Particle in cell-Monte Carlo)模型、流體模型和混合模型等,其中流體模型具有計(jì)算效率高、計(jì)算速度快且計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。本文將在容性耦合等離子體放電下,主要針對流體模型這一數(shù)值模擬方法展開細(xì)致化研究,主要(1)針對流體模型中的離子方程的兩種通用形式,即離子動量守恒方程和離子漂移擴(kuò)散近似;(2)針對兩種離子的輸運(yùn)參數(shù)(依賴于彈性碰撞頻率)編寫相應(yīng)的代碼,調(diào)試不同的氣壓,觀察分析模擬結(jié)果,來研究在不同條件下這二者之間是否存在差距,并分析其內(nèi)在機(jī)理,為低氣壓射頻等離子體源更好地應(yīng)用流體模型提供參考依據(jù)。本文的放電氣體為純氬氣。首先,第一章中,介紹了低溫等離子體的概念、容性耦合等離子體源的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)、常用到的數(shù)值模型的種類及原理、所要用到的流體模型的研究現(xiàn)狀以及數(shù)值計(jì)算方法的分類及原理,并提出了本文的研究目的。第二章,詳細(xì)地給出了流體模型中的電子、離子方程及泊松方程,介紹了本文所要用到的數(shù)值算法及模型的邊界條件,另外,對于離子漂移擴(kuò)散近似的由來,給出了詳細(xì)的推導(dǎo),并引出了有效電場這一概念。然后列出了本文所要考慮的放電反應(yīng)及其反應(yīng)系數(shù),并畫出了本文模擬的腔室結(jié)構(gòu)。第三章,主要研究了程序中空間步長的設(shè)置對放電模擬結(jié)果的影響以及有效電場存在的意義。首先我們選取不同的空間步長,在不同氣壓下進(jìn)行模擬研究,結(jié)果表明,氣壓較低的時(shí)候,空間步長越小,等離子體密度峰值越高,而且密度徑向非均勻性越明顯,這是由于空間步長變小后,放電更局域,為保證體平均密度不變,密度峰值自然隨之增加;而氣壓較高的時(shí)候,現(xiàn)象與氣壓低的時(shí)候類似,但在空間步長較大的時(shí)候,等離子體密度出現(xiàn)陡降,這是由于氣壓高時(shí)等離子體密度大,從而導(dǎo)致真實(shí)的物理鞘層變薄,若此時(shí)空間步長過大,則不能準(zhǔn)確地分辨出鞘層區(qū),即會出現(xiàn)非物理問題,所以氣壓高時(shí)空間步長更應(yīng)該加密網(wǎng)格,即選取較小的空間步長。第四章,我們首先重點(diǎn)研究了離子漂移擴(kuò)散近似中的有效電場這一項(xiàng)存在的意義。首先將含有效場和含非有效場(即靜電場)的離子漂移擴(kuò)散近似在不同氣壓下做出對比,模擬得到等離子體密度的分布趨勢,發(fā)現(xiàn)在氣壓較低時(shí),含有效場得到的等離子體密度比含非有效場略高,但差別較小,其密度相對誤差值僅為1.01%,我們推測這可能是由于有效場情況下電流與相應(yīng)電場有較大的相移,從而增加了歐姆加熱的功率沉積所致;氣壓高時(shí),有效場與非有效場兩者得到的等離子體密度相對誤差值越來越小,1000mTorr時(shí)降為0.033%,幾乎完全相同。這是因?yàn)闅鈮荷?離子與中性粒子的動量轉(zhuǎn)移頻率變大,導(dǎo)致解析有效場中的e指數(shù)項(xiàng)(含兩種電場差異的項(xiàng))快速衰減至無窮小,此時(shí)有效場近似等于電場。解析有效場是通過數(shù)學(xué)物理方法得出的一個(gè)模型,幫助我們驗(yàn)證了離子漂移擴(kuò)散近似中的有效電場的存在是沒有意義的,在之后離子漂移擴(kuò)散近似的使用中,我們都將直接使用靜電場代替有效電場。另外,在我們的推導(dǎo)過程中,給出了解析場的全解公式,與常規(guī)意義上的解析場相比,它多了對流項(xiàng)和慣性項(xiàng),該方程即等效于全動量守恒方程(由它推導(dǎo)而來)。我們將離子全動量守恒方程和離子漂移擴(kuò)散近似在不同氣壓下作出比較,研究結(jié)果表明,在氣壓較低時(shí),離子動量守恒方程得到的等離子體密度高于離子漂移擴(kuò)散近似,這是因?yàn)閷α黜?xiàng)影響到了有效場和電子流之間的相位差,從而導(dǎo)致沉積功率增加,所以全動量密度高;隨著氣壓升高,二者之間的放電趨勢差距越來越小,這與我們常規(guī)理解所一致;氣壓較高時(shí),出現(xiàn)反轉(zhuǎn),漂移擴(kuò)散近似得到的等離子體密度在整個(gè)放電區(qū)域都明顯高于動量守恒方程,而且此差距隨著氣壓的升高而增大,這是因?yàn)閼T性項(xiàng)作為一個(gè)類牛頓定律的減速項(xiàng),隨氣壓升高會大大降低有效場幅值,從而使得全動量計(jì)算的等離子體密度遠(yuǎn)低于漂移擴(kuò)散近似。其次,對于輸運(yùn)參數(shù)的研究表明:若采用與離子定向速度相關(guān)的等離子體碰撞頻率,則模擬給出的等離子體密度隨氣壓升高增幅較大,這是由碰撞阻尼項(xiàng)(與定向速度單調(diào)變化)變?nèi)?使得從鞘層邊緣處的電離區(qū)向體區(qū)輸運(yùn)變快的機(jī)制所決定過的;與之對應(yīng)地,若采用極化率所決定的遷移率時(shí),則隨氣壓升高碰撞阻尼項(xiàng)弱化相對不明顯,則輸運(yùn)相對較慢,故等離子體密度隨氣壓升高而增幅變緩。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：O53
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 低溫等離子體概述
    1.2 射頻容性耦合等離子體源簡介
    1.3 數(shù)值模擬方法
    1.4 流體模型的研究現(xiàn)狀
    1.5 本文工作安排
2 數(shù)值模型
    2.1 等離子體流體力學(xué)模型
        2.1.1 流體力學(xué)方程
        2.1.2 數(shù)值算法
        2.1.3 邊界條件
    2.2 離子漂移擴(kuò)散近似的推導(dǎo)
    2.3 模擬條件及腔室結(jié)構(gòu)
3 模擬環(huán)境的確定
    3.1 空間數(shù)值依賴性
    3.2 本章小結(jié)
4 結(jié)果與分析
    4.1 有效電場的影響
        4.1.1 兩種求解有效場的方法
        4.1.2 非有效場的影響
        4.1.3 有效場的影響
    4.2 兩種輸運(yùn)方程對比
    4.3 兩種碰撞頻率參量的對比
    4.4 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
附錄 解析求解有效電場
攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況
致謝

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本文編號：2884573