《脉冲调制常压射频介质阻挡辉光放电物理过程的数值模拟》由会员分享，可在线阅读，更多相关《脉冲调制常压射频介质阻挡辉光放电物理过程的数值模拟（59页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、硕士学位论文脉冲调制常压射频介质阻挡辉光放电物理过程的数值模拟T h eN u m e r i c a lS i m u l a t i o no fp u l s e m o d u l a t e d ：E 匕d i o - f r e q u e n c yD i e l e c t r i cB a r r i e rA t m o s p h e r i cP r e s s u r eG l o wD i s c h a r g e学号：2 1 0 0 2 0 丝大连理工大学D a l i a I lU I 曲e r S 埘o fT e c h n o l o g y圳川川删 Y
2、2 4 16 8 5 0大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：作者签名：槲调 l ；c I 常础撕质喇舣蝴噬懒碳拟 三堂莹大连理工大学硕士学位论文摘要大气压射频辉光等离子放电可以在常压下进行，放电装置不受真空室尺度和形状的限制，便于连续化生产加工。操作简单、便
3、携的优势使其在多个领域得到了广泛的应用，如材料表面改性、半导体刻蚀、有害物质处理、消毒等。尤其在生物医学方面的应用引起了人们更多的关注，常压等离子体可以直接作用于人或动物的身体，而这在低气压下是无论如何也实现不了的。然而，射频辉光放电过高的频率会导致放电不稳定，容易发生放电模式的转换：由均匀的辉光放电变成高温的弧光放电，不利于处理对温度敏感的材料，限制了大气压射频放电在工业生产中的应用。所以在高强度放电下控制放电的均匀稳定性问题成为了科学研究的重点。本文针对脉冲调制射频容性放电过程，建立自洽的一维无碰撞流体模型对放电进行数值模拟。模型中以氩气为背景气体，考虑了六种主要放电粒子和包括电离、激发等
4、在内的十种反应。研究内容分为两部分：第一部分研究添加脉冲电源对等离子体放电特性的影响，主要研究脉冲开启阶段、放电稳定阶段、脉冲关闭阶段，脉冲对放电电压、电流密度、粒子密度、电子温度和电场强度的影响；第二部分重点探讨了不同放电参数下的放电特点。模型中改变的放电参数有脉冲占空比、脉冲开启时间、脉冲频率等。模拟结果表明，添加脉冲调制电源对放电起到了很好的控制作用。脉冲开启达到稳定后，时间平均的各粒子密度、电子温度以及电场强度的空间分布与没有脉冲调制的射频放电一致；脉冲开启( 或关闭) 时，放电电压和电流密度会及时响应并迅速增大( 或减小) ；脉冲关闭后，粒子由于扩散作用会向两侧介质极板运动，但带电粒
5、子不会完全消失，剩余的带电粒子会参与下一次放电的点火。固定脉冲关闭时间，改变开启时间对电子、氩亚稳态分子的时间平均分布影响较为明显，其密度会随着脉冲开启时间的增加而增大，但是对电子温度和电场强度几乎没有影响；当固定脉冲占空比2 0 时，改变脉冲频率，放电电流密度幅值在脉冲频率较低( 光强( r )电位分布似)电场强度“) 净空间电荷f 门电流密度八一， J l，r一V y， ，yf l c。气 r 一1 、，+ 弋1 J l 。j + j +。、 X一一，+一区F i g l 1T h eV i s i b l ep a n sd i a 鲫。f n o m l a l 羽。wd i s c
6、h 鹕e 【1 6 J日、寺三要：翟曼：_ nE n g d 研究小组就已经实现了直流和交流大气压辉光放电【1 7 】，只 耋彗霎蝥烹娶墨娄等擎苎警式的转化。经过人们不断的研究蒜；，。茹；。，。矣；羞辉毙轰 电已经可以在频率为千赫兹，甚至兆赫兹的环境下实现【1 8 2 4 1 。一。”H u 从牝黼呈前，实现大气压辉光放电主要有两种方式：大气压介质阻挡放电和大气压射频辉光放电。一”。一。一例删肝左由2 霎昙冀兰皇。! ! i 三! e 粤cB 硎e rD i s C h a 唱e ，D B D ) 中的介质有两种存在方式：覆盖 耋宴极耋要冀差苎差耋登苎空间里。无论气压的飙只要在电极上蒜荔；晶妄
7、嘉电压，电极间的气体就被击穿而形成D B D 。 圳“碌接夸要竺竺：。墨苎竺萱其特殊的化学与物理性质，在医疗系统、农业方面、餐饮业及 芝羹詈芝薹孚慧! 妻广泛的应用。而产生臭氧的一种重要手主巍盂：。嚣猫盖 羔璧量要堂是竺筝蛩竺西门子，于1 8 5 7 年发现。随后，A n d 阳w s 等人【2 5 磊苫：磊j 竺翥呈竺二三之世粤嘲1w 砷峨等人对介质阻挡放电做子买量赫茹_ 茬我们对D B D 有了进一步的了解。一一一掣b阪脉冲调制常压射频介质阻挡辉光放电物理过程的数值模拟但是由于大气压介质阻挡放电过程复杂，单从实验结果上很难探究其放电产生机理与基本特征。因此，人们通过计算机模拟来探究介质阻挡
8、放电过程。2 0 世纪7 0 年代，D a v i e s 等人【2 7 圆】最先利用建立数学模型，通过理论计算模拟了介质阻挡放电。近年来，国内的许多学者通过计算机模拟也得出了很多有价值的结论【3 4 1 。2 0 0 3 年王艳辉等人【3 1 3 3 】通过计算机模拟了多种气体在大气压介质阻挡放电中的产生机理以及复杂的放电过程。2 0 0 5 年张远涛【3 2 】等人的理论研究发现，在丝状放电过程中，各条放电通道在不同的位置相继发生击穿。2 0 0 7 年，张文静【蚓等人对大气压下容性介质阻挡空气放电进行了计算机模拟。他们通过改变放电初始条件，比较了不同条件下的物理参数变化，得出放电过程可以
9、分为电子雪崩、流注形成、流注传播、介质表面电荷形成及放电熄灭的五个过程的结论。传统的D B D 放电结构是将绝缘介质覆盖在其中的一个或两个极板上，或者悬浮在放电空间中，这样能够产生两种不同的等离子体。目前也出现了圆柱管线结构，如图1 2图1 2 介质阻挡放电典型的放电结构n 5 1F i g 1 2T y p i c a ld i e l t r i c - b a r r i 盯d i s c h a r g ec o n f i g I l m t i o n 放电装置中添加介质后，放电空间中的带电粒子将不能达到金属电极从而积累在介质板上。在前半个周期，介质板上的电荷产生一个与外电场方向相
10、反的电场，使总电大连理工大学硕士学位论文场减小。在后半个周期，外电场方向改变，介质板上积累电荷产生的电场对放电起到了加强作用，所以介质阻挡放电可有效防止放电空间中形成的局部火花或弧光放电。当电源激发频率在几个K H z 时，每半个放电周期就会产生一次放电，时间大概维持几个微秒。若提高外加电压，就会在每半个周期内产生多次放电，形成脉冲性放电。图1 3 描述了典型大气压介质阻挡放电在一个放电时间周期内的电流电压波形。大气压介质阻挡放电虽然提高了等离子体密度，但是极容易产生丝状放电，降低了等离子体的均匀性，限制了D B D 技术在大面积处理加工方面的应用。m C n墨m e ( s )套OC刁 C
11、k：o图1 3 大气压介质阻挡放电在一个放电时间周期内的典型电流电压波形刚F i g1 3T i I n ee v o l u t i o no fn l ed i s c h a F g ec u 玎蜘t 觚da p p l i e dV 0 l t a g eo V 盯o n ec y c l e i I l D B D 删解决这一问题的方法之一就是提高激发频率，使交流放电频率达到M H z 。放电中产生的带电粒子不会在一个射频周期内耗尽，被限制在放电空间中，形成射频介质阻挡放电【37 3 8 】。从图1 4 中可以看出，气体电压、介质电压以及放电间隙中的电流密度波形图都近似正弦图，明显不
12、同于图1 3 中的尖峰状波形图，实现了连续放电。电流和电压之间存在O 到9 0 。的相位差，放电呈电容性。由于放电实现了连续，所以击穿电压与维持电压明显小于介质阻挡放电时所需要的电压值。脉冲调制常压射频介质阻挡辉光放电物理过程的数值模拟T i m e ( 1 0 彳s )口功 盟 o图1 4 典型的射频大气压介质阻挡放电电压电流波形图m 1F i g1 4 聊i c a lc u n 舶td 衄s 竹觚dv o l t a g ew a V ef o 册so ft l l ea n I l o s p h 舐cr a d i o - 能q u 吼c yd i e l e c 仃i c j b
13、a 币盯d i s c h a r g e 勰11 3 脉冲调制等离子体放电随着等离子体在实际生活中应用范围的扩大，各种矛盾也随之出现。例如放电稳定性与放电强度之间的矛盾，电子能量与热积累效应之间的矛盾等等。如何有效的解决这些矛盾是人们面临的问题。电感耦合热等离子体( 1 n d u C I i v e I yc o u p I e dt h e r n l a Ip l a s m a ，l C T P ) 有着广泛的应用，合成纳米粒子【3 1 1 、金刚石薄膜沉积【4 2 ，4 3 1 、热障涂层等。由于I C T P 重粒子的温度高，所以具有很高的焓值，能够产生大量的活性粒子。而且放电装
14、置中没有电极，大大减小了污染。然而，大功率的l C T P 等离子体在放电过程中，由于很难控制I C T P 中过高的焓值，从而导致热积累效应对基片造成伤害，影响薄膜生长。为了控制这种高焓高温的等离子体，人们提出了一个新颖有效的办法：对电源施加一个脉冲调制信号，形成脉冲调制等离子体放电。通过增加脉冲频率以及脉冲占空比两一o、量一参一协co奄_co|-：o大连理工大学硕士学位论文个控制变量，可以有效地控制等离子体放电过程。I s h i g a k i 和X i a o b a oF a n 等人删于1 9 9 7 年研究发现，在保证等离子体最大能量不变的前提下，改变脉冲占空比，可以在很大的范围
15、内改变等离子体的总能量。在每个放电周期内，电子温度，粒子的种类和含量也会有所改变。Y a s u n o r iT a n a k a 【4 5 】建立了大气压脉冲调制氩一氮非平衡双温二维模型。模拟结果显示，通过调节线圈电流，可以达到控制电子和重粒子温度的目的。增加脉冲关闭时间，降低S C L ( 脉冲关闭时的电流幅值与脉冲开启时的电流幅值的比值) 可以增大电子与重粒子之间的温度差。Y a s u n o r i 和H a y a s h i 等人闱在氮气I C T P 放电中，发现改变脉冲开启的时间，可以改变氮亚稳态原子的数量。大气压脉冲调制I C T P 放电中可以增加亚稳态粒子流的数量，
16、从而扩大了I C T P 的应用范围1 4 7 J 。刻蚀是微电子器件制作过程中必不可少的环节，早期的刻蚀工艺主要利用化学液体腐蚀薄膜，称为湿法刻蚀。湿法刻蚀的缺点不容忽视，刻蚀中残留腐蚀性液体，降低了器件的稳定性和寿命，且污染环境。这就要求人们寻找新的刻蚀工艺：等离子体干法刻蚀应运而生。干法刻蚀于1 9 6 9 年引入半导体加工工艺中，七十年代开始广泛应用。等离子体：于法刻蚀追求在低气压下获得高密度的等离子体，相比于湿法刻蚀优点明显：污染小，刻蚀残存物少，可以实现各向异性刻蚀。随着微电子器件水平的提高，刻蚀技术需要不断的更新，这就对等离子体源提出了更高的要求。微波电子回旋共振( M W E C R ) 放电不同于传统的容性耦合射频等离子体放电，E C R放电不需要电极。较低的中性气体压力和较长的中性粒子平均自由程非常有利于垂直刻蚀。E C R 放电的电离率较高，像离子、激发态原子和自由基等高活性粒子在放电中占有很高的比例。电子密度和表面离子通量大，
