射頻容性耦合等離子體(Radio-Frequency Capacitively Coupled Plasmas,RF-CCP)源,具有結構簡單,并且能夠產(chǎn)生高密度的等離子體的優(yōu)點,因此被廣泛應用于低溫等離子體放電技術中。由于數(shù)值模擬具有成本低、效率高的優(yōu)點,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算效率高、計算速度快且計算結果準確等優(yōu)點。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散近似;(2)針對兩種離子的輸運參數(shù)(依賴于彈性碰撞頻率)編寫相應的代碼,調(diào)試不同的氣壓,觀察分析模擬結果,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)在機理,為低氣壓射頻等離子體源更好地應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構及特點、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,對于離子漂移擴散近似的由來,給出了詳細的推導,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及其反應系數(shù),并畫出了本文模擬的腔室結構。第三章,主要研究了程序中空間步長的設置對放電模擬結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,在不同氣壓下進行模擬研究,結果表明,氣壓較低的時候,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;而氣壓較高的時候,現(xiàn)象與氣壓低的時候類似,但在空間步長較大的時候,等離子體密度出現(xiàn)陡降,這是由于氣壓高時等離子體密度大,從而導致真實的物理鞘層變薄,若此時空間步長過大,則不能準確地分辨出鞘層區(qū),即會出現(xiàn)非物理問題,所以氣壓高時空間步長更應該加密網(wǎng)格,即選取較小的空間步長。第四章,我們首先重點研究了離子漂移擴散近似中的有效電場這一項存在的意義。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,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,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時降為0.033%,幾乎完全相同。這是因為氣壓升高,離子與中性粒子的動量轉移頻率變大,導致解析有效場中的e指數(shù)項(含兩種電場差異的項)快速衰減至無窮小,此時有效場近似等于電場。解析有效場是通過數(shù)學物理方法得出的一個模型,幫助我們驗證了離子漂移擴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,它多了對流項和慣性項,該方程即等效于全動量守恒方程(由它推導而來)。我們將離子全動量守恒方程和離子漂移擴散近似在不同氣壓下作出比較,研究結果表明,在氣壓較低時,離子動量守恒方程得到的等離子體密度高于離子漂移擴散近似,這是因為對流項影響到了有效場和電子流之間的相位差,從而導致沉積功率增加,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,出現(xiàn)反轉,漂移擴散近似得到的等離子體密度在整個放電區(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,這是因為慣性項作為一個類牛頓定律的減速項,隨氣壓升高會大大降低有效場幅值,從而使得全動量計算的等離子體密度遠低于漂移擴散近似。其次,對于輸運參數(shù)的研究表明:若采用與離子定向速度相關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(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)輸運變快的機制所決定過的;與之對應地,若采用極化率所決定的遷移率時,則隨氣壓升高碰撞阻尼項弱化相對不明顯,則輸運相對較慢,故等離子體密度隨氣壓升高而增幅變緩。
【學位單位】：大連理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：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 等離子體流體力學模型
2.1.1 流體力學方程
2.1.2 數(shù)值算法
2.1.3 邊界條件
2.2 離子漂移擴散近似的推導
2.3 模擬條件及腔室結構
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
4 結果與分析
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 兩種輸運方程對比
4.3 兩種碰撞頻率參量的對比
4.4 本章小結
結論
參考文獻
附錄 解析求解有效電場
攻讀碩士學位期間發(fā)表學術論文情況
致謝
【相似文獻】
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本文編號：
2884573
