氮?dú)怆娙蓠詈仙漕l輝光放電二維PIC-MC模擬研究.pdf

1、氮?dú)馍漕l放電等離子體廣泛應(yīng)用于氮化物合成及表面氮化技術(shù)，氮射頻等離子體氣相沉積是一項(xiàng)很有潛力的技術(shù)。為了提高應(yīng)用效率和質(zhì)量，從微觀角度深入研究氮?dú)夥烹姷入x子體過(guò)程機(jī)理非常重要。PIC/MC方法是考慮等離子體帶電粒子運(yùn)動(dòng)最全面，最能夠反映實(shí)際等離子體過(guò)程的方法。 本文采用PIC/MC混合自恰二維模型，研究低氣壓容性氮?dú)馍漕l放電機(jī)理及其等離子體特性，探討電子碰撞電離率和離解率過(guò)程的二維時(shí)空分布及其隨放電參量的變化。具體工作如下：

2、 1.建立了氮分子氣體容性射頻放電等離子體過(guò)程的PIC/MC自恰的混合模型，其中帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)及其產(chǎn)生的自恰場(chǎng)由PIC方法的靜電模型描述，粒子間的碰撞過(guò)程由MCC方法描述。用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言結(jié)合有限差分方法實(shí)現(xiàn)PIC/MC混合模型模擬氮?dú)馍漕l放電物理過(guò)程，分別編寫了一維、兩維PIC/MC模擬程序。 2.對(duì)兩極式非對(duì)稱結(jié)構(gòu)射頻放電等離子體過(guò)程進(jìn)行了模擬。計(jì)算了放電達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)后一個(gè)周期不同時(shí)刻自洽電勢(shì)和電場(chǎng)空間分布以及帶

3、電粒子(e，N+2，N+)在整個(gè)放電空間的密度分布。同時(shí)模擬了射頻鞘層厚度隨時(shí)間的分布規(guī)律并且通過(guò)調(diào)節(jié)模擬放電參數(shù)，得到了射頻鞘層厚度與放電電壓之間的關(guān)系，模擬結(jié)果表明：(1)驅(qū)動(dòng)電極附近存在一明顯的鞘層區(qū)，在該區(qū)內(nèi)，電子密度迅速減小并趨于零，而離子密度較大(尤其是在電極上)。在鞘層區(qū)以外，是電子和離子密度相等的均勻主等離子體區(qū)。(2)鞘層區(qū)內(nèi)，有較強(qiáng)的電場(chǎng)，而在主等離子體區(qū)內(nèi)，電場(chǎng)較弱，且是均勻分布的。(3)放電電壓對(duì)鞘層參數(shù)具有明顯

4、的影響作用，隨著射頻電源的電壓的加大，等離子體鞘層的寬度有所增加。 3.采用二維PIC-MCC方法對(duì)氮?dú)鈱?duì)稱結(jié)構(gòu)射頻放電進(jìn)行了模擬，分別計(jì)算了其電場(chǎng)、粒子(e，N2+，N+)密度、碰撞電離率及氮分子的離解率兩維時(shí)空分布。 其結(jié)果表明： (1)放電空間內(nèi)空間電勢(shì)的變化直接影響著帶電粒子的分布，正是電勢(shì)分布的震蕩使得帶電粒子的密度分布也出現(xiàn)了震蕩，從而等離子體空間內(nèi)形成了交變電場(chǎng)。系統(tǒng)中的等離子體在鞘層交變電場(chǎng)的作用

5、下在系統(tǒng)中集體振蕩，振蕩周期與射頻頻率一致。 (2)通過(guò)分別計(jì)算γ電離過(guò)程和a電離過(guò)程，研究了其各自對(duì)電子碰撞電離產(chǎn)生的貢獻(xiàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)a電離過(guò)程對(duì)電子碰撞電離產(chǎn)生的貢獻(xiàn)占總電離率的90％以上，證實(shí)了在低壓容性射頻放電中a電離是維持N2放電的主要過(guò)程。 (3)e一N2離解碰撞率在射頻周期的時(shí)間平均的軸向分布表明，氮分子的最大離解率出現(xiàn)在射頻極鞘層邊界附近，且適當(dāng)提高電壓，有助于提高放電空間氮分子的離解率。總之，N2容性耦合