大面積矩形表面波等離子體源的數(shù)值模擬.pdf

1、表面波等離子體（SWP）是由沿著介質(zhì)-等離子體交界面?zhèn)鞑サ谋砻娌妶霎a(chǎn)生和維持的等離子體。從上個(gè)世紀(jì)90年代以來，隨著大規(guī)模集成電路、太陽能電池、平板顯示器、微電子機(jī)械系統(tǒng)等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，可用于大面積材料處理的SWP源受到了前所未有的關(guān)注。和其他的傳統(tǒng)的等離子體源相比，SWP源有諸多優(yōu)點(diǎn)，如不需要外磁場，無須電極，等離子體密度高，容易實(shí)現(xiàn)大面積等。由于SWP源復(fù)雜的天線陣列-表面波-等離子體耦合機(jī)制，迫切需要通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬對相關(guān)物

2、理問題進(jìn)行研究以及對實(shí)體裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　 本文數(shù)值模擬的研究對象是大面積矩形SWP 源，主要工作包括：
　　 1、采用時(shí)域有限差分（FDTD）方法結(jié)合麥克斯韋方程組和冷等離子體模型模擬了任意天線激發(fā)的表面波傳播。分別研究了等離子體密度、電子碰撞頻率、石英玻璃厚度及介電常數(shù)、石英和天線之間有無空氣間隙等對表面波傳播的影響。結(jié)果顯示，不同天線激發(fā)的表面波具有線性疊加性質(zhì)，受到天線的影響表面波模式和本征模不一致；石英玻

3、璃太厚、上方有空氣間隙都不利于表面波的激發(fā)；當(dāng)介質(zhì)的相對介電常數(shù)在3.7 左右時(shí)天線可以激發(fā)較強(qiáng)的表面波。
　　 2、基于等離子體空間均勻分布和沉積功率水平面均勻分布兩個(gè)假設(shè)模擬了SWP源均勻穩(wěn)態(tài)工作時(shí)候的裝置電磁場分布、等離子體密度和溫度分布。分析了不同天線陣列對波導(dǎo)內(nèi)電磁場、激發(fā)的表面波傳播和微波功率沉積的影響。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在1.0×1018 m-3的等離子體密度附近，裝置的微波功率反射率小于20%。當(dāng)天線激發(fā)的表面波模式

4、緊湊、強(qiáng)度大時(shí)微波功率反射率也較小。當(dāng)裝置均勻穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，在距離石英大約2-4 cm會出現(xiàn)電子密度峰值，且密度峰值位置隨著氣壓增大而靠近石英。氣壓比較大時(shí)，會出現(xiàn)等離子體密度飽和現(xiàn)象。
　　 3、用準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)時(shí)間步進(jìn)模型模擬了等離子體在表面波“推動”下的自發(fā)擴(kuò)展過程，獲得了自洽的等離子體電子密度、溫度空間分布，分析了不同天線陣列、微波輸入功率、氣壓、空氣間隙等對等離子體自發(fā)擴(kuò)展以及均勻性的影響。提出可以通過表面波行波而非駐波產(chǎn)生大面