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1、1、论文(设计)研究目标及主要任务近些年来，等离子体的研究受到高度关注，由射频放电方式产生的低气压、高密度 等离子体在新材料的制备及材料表面改性等工艺中得到了越来越广泛的应用，为了控制 离子入射到极板上的行为，通常在极板上施加一射频(RF)偏压，从而在极板附近形成一 射频等离子体鞘层。本课题将对离子在射频鞘层中的运动行为进行跟踪研究，力求找到 等离子体中各基本粒子随射频频率变化而引起的分布情况。利用流体力学方程，将采用 一个自洽的无碰撞射频等离子体鞘层动力学模型实施数值模拟。2、论文的主要内容介绍等离子体的概念；等离子体的流体力学理论；对射频等离子体放电的流体动力 学模拟射频等离子体鞘层动力学
2、模型给予论述。对模拟结果进行分析研究，为其应用提供理论基础。3、论文的基础条件及研究路线根据现有的研究成果，描述任意频率段的射频鞘层演化过程以及对射频放电的物理 过程进行分析计算，并指明今后的研究方向。4、主要参考文献1 居建华.氮对类金刚石薄膜的微观结构内应力与附着力的影响J.物理学报， 2000, 49(11)： 2310-2314.2 马锡英.氮化硼薄膜的生长特性粘附性研究J.物理学报，1998, 304(05)： 3-101.3 戴忠玲.射频等离子体鞘层动力学模型J.物理学报，2001，50(12)： 2399-2402.4 Hua-Tan Qiu. Collisional effec
3、ts on the radio-frequency sheath dynamicsJ. Journal of applied physics， 2002， 51(06)： 1332-1337.5 朱武飚.负偏压射频放电过程的流体力学模拟J.物理学报，2000，45(07)： 1138-1145.6 马腾才.等离子体物理原理M.合肥市：中国科学技术大学出版社，1988： 1-2 32.5、计划进度阶段起止日期1收集资料，确定题目2011.01.042011.01.152总结资料，撰写开题报告2011.01.162011.02.303构思框架，书写论文初稿2011.03.012011.03.304
4、完成论文一稿，英文文献翻译2011.04.012011.04.305修改并完成论文2011.05.012011.05.15指 导 教师： 高书侠 2011 年_1_月 _日教研室主任:李玉现2011 年 1 月 2 日河北师范大学本科生毕业论文文献综述近几年来，由射频放电方式产生的低气压、高密度等离子体在新材料的制备及材料 表面改性等工艺中得到了越来越广泛的应用，例如采用这种等离子体可以合成薄膜材料 以及对金属和半导体薄膜等进行刻蚀。在等离子体加工过程中，工艺的质量在很大程度 上取决于等离子体和工件的相互作用过程。为了控制离子入射到极板上的行为，一般在 极板上施加一射频(RF)偏压，从而可以在
5、极板附近形成射频等离子体鞘层。当离子从等 离子体中穿越鞘层向极板运动时，将受到射频鞘层电场的加速，并以一定的能量和角度 轰击到极板的表面上。离子在射频鞘层中的运动行为，不但受到等离子体参量的影响， 而且受到外加射频场的调制。因此研究射频放电的物理机制及放电参量对加工过程的影 响是十分必要的。人们在研究射频放电的物理过程时，采用了许多方法，如Lieberman和Godyak等 的解析模型。在这种方法中他们把整个放电室分成鞘层区和准中性的均匀等离子体区并 对鞘层区的电子密度进行了唯象假定，从而解析地研究了鞘层的演化过程。然而，事实 上电子在鞘层中的分布是连续的，很难准确地区分鞘层区和等离子区。目前
6、采用较多的 是较为严格流体力学模拟方法。由于在等离子体中，电子和离子的运动状态近似于流体， 通常把等离子体看作一种双流体，采用了流体力学方程组对其进行分析研究。在这种方 法中，对电子的动量平衡方程基本上都采用迁移-扩散近似，其主要差别在于对离子的 动量平衡方程所作的不同近似。因此，上述方法都有一定的不足之处。本文在第四部分 采用较为严格的离子动量平衡方程和比较合理的边界条件，对射频放电的物理过程进行 分析计算。同样人们在对射频鞘层研究中，也做出了不同程度的近似。当外加射频场的频率远 小于离子等离子体频率时，瞬时电势决定了鞘层中离子运动，此时每一时刻的射频鞘层 特性和电势为相应值的直流辉光放电的
7、鞘层特性一样。Metze等提出的一种模型描述了 这种低频的离子运动。当外加射频场的频率远大于离子等离子频率时，离子不能及时响 应射频电场的变化.对这种高频的情况，Godyak和Sternberg假定鞘层中的平均电场决定 离子的运动，并采用阶梯模型来描述鞘层内电子的密度分布，从而得到无碰撞射频鞘层 演化方程的解析解。然而，对于中低频范围的外加射频场，不容易得到鞘层演化方程的 解析解。对于这种情况，离子对射频电场的变化只是部分响应的。Miller和Riley提出 一个“衰减势”模型来研究在该频率段的离子动力学问题，但是在他们的工作中假定鞘 层中离子流密度是恒定不变的。本文将在第五部分在流体力学方程
8、的基础上建立一种自 洽的射频鞘层动力学模型。由于考虑了瞬时鞘层电场对离子运动的影响，因此该模型适 用于描述任意频率段的射频鞘层演化过程。本课题将对离子在射频鞘层中的运动行为进行跟踪研究，力求找到等离子体中各基 本粒子随射频频率变化而引起的分布情况。利用流体力学方程，将采用一个自洽的无碰 撞射频等离子体鞘层动力学模型实施数值模拟。主要参考文献1 居建华.氮对类金刚石薄膜的微观结构内应力与附着力的影响J.物理学报， 2000, 49(11)： 2310-2314.2 马锡英.氮化硼薄膜的生长特性粘附性研究J.物理学报，1998, 304(05)： 3-101.3 戴忠玲.射频等离子体鞘层动力学模型
9、J.物理学报，2001，50(12)： 2399-2402.4 Hua-Tan Qiu. Collisional effects on the radio-frequency sheath dynamicsJ. Journal of applied physics， 2002， 51(06)： 1332-1337.5 朱武飚.负偏压射频放电过程的流体力学模拟J.物理学报，2000, 45(07)： 1138-1145.6 马腾才.等离子体物理原理M.合肥市:中国科学技术大学出版社，1988： 1-2 32.河北师范大学本科生毕业论文翻译文章目 录中文摘要、关键词（II）1、引言（1）2、等离子
10、体的概念（2）3、等离子体的流体力学理论（2）3.1双流体理论（2）3.2单流体理论（3）4、射频等离子体放电的流体动力学模拟（4）4.1理论模型（4）4.2数值结果与分析（8）5、射频等离子体鞘层动力学模型（10）5.1理论模型（10）5.2数值结果（12）6、结论（13）参考文献（15）英文摘要、关键词（16）射频放电等离子体过程摘要：本文米用流体力学的方法研究了负偏压射频放电的物理过程，在不同的近似条件下，计算了带电粒子的密度及电场的时空分布，数值结果表明，电极附近存在一 明显的离子鞘层区，在该区内，电子密度迅速减小并趋于零，而离子的密度则明显不为 零。在鞘层区以外，是电子和离子密度相等
11、并接近空间均匀等离子区。鞘层区内，由于 离子密度与电子密度不相等，形成了一个空间电荷区，从而具有较强的鞘层电场，而等 离子区内，电场较弱，且是均匀分布的。同时在流体力学方程的基础上建立了一种自洽 的无碰撞射频等离子体鞘层动力学模型。这种自洽性是指由于考虑了瞬时鞘层电场对离 子运动的影响,因此该模型适用于描述任意频率段的射频鞘层演化过程。采用数值方法 模拟出鞘层内离子密度的时空变化。结果表明，当射频场的频率小于或等于离子等离子 体频率时，离子流密度明显地随时间变化。关键词：射频，放电，鞘层，流体力学射频放电等离子体过程1引言近几年来，由射频放电方式产生的低气压、高密度等离子体在新材料的制备及材料
12、 表面改性等工艺中得到了越来越广泛的应用，例如采用这种等离子体可以合成薄膜材料 1-2以及对金属和半导体薄膜等进行刻蚀。在等离子体加工过程中，工艺的质量在很大 程度上取决于等离子体和工件的相互作用过程，离子入射到极板上的能量分布和角度分 布是两个关键的物理量，它们直接决定着刻蚀的异向性和刻蚀率的大小。为了控制离子 入射到极板上的行为，一般在极板上施加一射频(RF)偏压，从而可以在极板附近形成射 频等离子体鞘层。当离子从等离子体中穿越鞘层向极板运动时，将受到射频鞘层电场 的加速，并以一定的能量和角度轰击到极板的表面上。离子在射频鞘层中的运动行为， 不但受到等离子体参量的影响，而且受到外加射频场的
13、调制。因此研究射频放电的物理 机制及放电参量对加工过程的影响是十分必要的。人们在研究射频放电的物理过程时，采用了许多方法，如Lieberman和Godyak等 的解析模型。在这种方法中他们把整个放电室分成鞘层区和准中性的均匀等离子体区 并对鞘层区的电子密度进行了唯象假定，从而解析地研究了鞘层的演化过程。然而，事 实上电子在鞘层中的分布是连续的，很难准确地区分鞘层区和等离子区。这种方法对他 们之间的过渡区难以准确的分析，而且为了能够解析求解，此方法假定较多。目前采用 较多的是较为严格流体力学模拟方法。由于在等离子体中，电子和离子的运动状态近 似于流体，通常把等离子体看作一种双流体，采用了流体力学
14、方程组对其进行分析研究。 在这种方法中，对电子的动量平衡方程基本上都采用迁移-扩散近似，其主要差别在于 对离子的动量平衡方程所作的不同近似。因此，上述方法都有一定的不足之处。本文在 第四部分采用较为严格的离子动量平衡方程和比较合理的边界条件，对射频放电的物理 过程进行分析计算。同样人们在对射频鞘层研究中，也做出了不同程度的近似。当外加射频场的频率远 小于离子等离子体频率时，瞬时电势决定了鞘层中离子运动，此时每一时刻的射频鞘层 特性和电势为相应值的直流辉光放电的鞘层特性一样。Metze等提出的一种模型描述了 这种低频的离子运动。当外加射频场的频率远大于离子等离子频率时，离子不能及时响 应射频电场
15、的变化.对这种高频的情况，Godyak和Sternberg假定鞘层中的平均电场决定 离子的运动，并采用阶梯模型来描述鞘层内电子的密度分布，从而得到无碰撞射频鞘层 演化方程的解析解。为了避免阶梯模型给电子密度分布带来的不精确性，研究者假定鞘 层内的电子密度分布服从Boltzmann分布，并且建立了自洽的鞘层厚度演化方程。然而， 对于中低频范围的外加射频场，不容易得到鞘层演化方程的解析解。对于这种情况，离 子对射频电场的变化只是部分响应的。Miller和Riley提出一个“衰减势”模型来研究 在该频率段的离子动力学问题，但是在他们的工作中假定鞘层中离子流密度是恒定不变 的。Bose等研究中等频率的射频鞘层特性试图建立一个时空变化的离子动力学模型，它 假定了极板上的电位是给定的，且为一正弦波形，这显然是不自洽的。本文将在第五部分 在流体力学方程的基础上建立一种自洽的射频鞘层动力学模型。由于考虑了瞬时鞘层电 场对离子运动的影响，因此该模型适用于描述任意频率段的射频鞘层演化过程。2等离子体的概念等离子体被称为物质的第四态，它是由电子和正离子组成的一种物质的聚集态。 众所周知，物质的聚集态随着物质温度的升高会发生由固态到液态最后到气态的变化。 然而，这只是常温状态下的情况，如果温度升高，达到几万度甚
