（等离子体物理专业论文）低温等离子体放电过程的数值模拟.pdf

摘要 摘要 近几年，低温等离子体放电在工业中的应用有了很大的发展。这种技术 特别在微电子器件加工和各种功能膜的沉积方面得到了广泛的应用。在工业 应用中，对等离子体加工过程的机理了解不够，大多数过程的机理图象还不 够清晰、完整，且受加工工艺有关的因素多，参数范围大，过程复杂，因此 缺乏有效的监测与调节手段，造成工艺过程重复性差，产品质量不稳定，产 量低或效率不高。这主要是由于低温等离子体是由多种粒子组成的复杂体 系，其内部及等离子体与固体表面存在多种物理化学过程。它易受外界电磁 场的影响，又受内部感应场的作用，内部粒子间的碰撞或散射又不断影响内 部集体的自洽场作用。所以等离子体比非电离气体复杂得多，至今仍有许多 相关的内部机制未被完全了解，我们很有必要对等离子体中各种物理参数做 详细的研究。 本论文对低温等离子体放电的研究中，主要做了以下几方面的工作： l 、查阅国内外资料文献，明确研究目的，对可采用的方案进行充分的 调研和分析。 2 、从实际需求出发，根据气体放电的基本原理，对采用流体模型数值 模拟低温等离子体放电的过程进行了数值分析论证。流体模型分析低温等离 子体放电过程既解决了自洽问题，也考虑到了带电粒子的非平衡问题，能够 反应出等离子体的主要宏观性质，是一种简单快捷的分析方法。 3 、分别用f o r t r a n 语言编程、气体放电软件o o p i c 数值模拟了射频 电感耦合、电容耦合等离子体放电过程，分析了放电中不同结构和放电气压 对等离子体密度等重要参数的影响。这样就为等离子体工业应用的实验研究 和生产提供了理论依据，从而在了解物理过程的基础上，找到合适的参数范 围，可以有效的对其监测与调节，提高产品效率和质量。 关键词：等离子体，气体放电，动力学模型，蒙特卡罗模型，流体模型， 感应耦合放电，电容耦合放电 a b s t r a c t i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n so fl o wt e m p e r a t u r ep l a s m a t e c h n o l o g i e sh a v e d e v e l o p e dr a p i d l yd u r i n gr e c e n ty e a r s i np a r t i c u l a r ，p l a s m ae t c h i n ga n df i l ma r e e v e r - l n c r e a s i n gr o l e i nt h em a n u f a c t u r eo fs e m i c o n d u c t o r p l a y i n gd e v i c e s h o w e v e r ，w es t i l ls u f f e r i n gf r o ms e v e r a l p r o b l e m s ，i n c l u d i n gd i f f i c u l t i e si n p l a s m ap r o c e s s e s ，s u c ha sl a c kt h ee f f e c tc o n t r o la n da d j u s t m e n t m e t h o d b e c a u s et h ei n f l u e n c eo fs e v e r a lk i n d so f p a r t i c a l sa n de l e c t r o m a g n e t i cf i e l d f o rt h eu n d e r s t a n d i n go ft h ec o m p l e xp h y s i c a lb e h a v i o u rt o f i n dar e s e a r c h m e t h o di ni n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s ，s e v e r a la c h i e v e m e n t sa r el i s t e d a st h e f o l l o w i n g s ： 1 s e a r c hd a t aa n dl i t e r a t u r e so fd o m e s t i ca n da b r o a dt of i n da l la c c e p t a b l e m e t h o d 2 t h ee x p r e s s i o n so ft h ef l u i dm o d e lt oi m i t a t et h ep r o c e s s o fl o w p r e s s u r e d i s c h a r g e sa r ed i s c u s s e dw i t hn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n s 3 t h ei m i t a t i o n so ft h ep r o c e s so f l o w p r e s s u r ed i s c h a r g e sa r ep r e s e n t e d ， c o n t a i nt h ea n a l y s eo fp a r a m e t e r s ( s u c ha sp l a s m ad e n s i t y 、t h es p a c e d i s t r i b u t i o n o fe l e c t r o nt e m p e r a t u r ea n ds oo n ) o f r a d i o f r e q u e n c y ( r oi n d u c t i v e l yc o u p i e d d i s c h a r g e sa n dc a p a c i t i v e l yc o u p l e d p r e s s u r e i tp r o v i d e sat h e o r ym e t h o di n a p p l i c a t i o n s i nt h i sp r o c e s s ，w ec a n i n c r e a s ee f f i c i e n c ya n d q u a n t i t y d i s c h a r g ei nd i f f e r e n c es t r u c t u r ea n d p l a s m ae m p i r i c a la n a l y s i sa n di n d u s t r i a l f i n ds u i t e dp a r a m e t e r st oc o n t r o la n d k e y w o r d s ：p l a s m a ，l o w 。p r e s s u r eg a sd i s c h a r g e ，d y n a m i c s m o d e l i n g ， m o n t ec a r l om o d e l i n g ，f l u i dm o d e l i n g ，r a d i o - f r e q u e n c y ( i f ) i n d u c t i v e l yc o u p l e d d i s c h a r g e s ，c a p a c i t i v e l y c o u p l e dd i s c h a r g e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 躲0 喳 日期：2 7 年6 月e l 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：占闷秀、 导师签名：名棒 签名：6 闷乃、 导师签名：琢棒 日期：2 c 刃年勿月i e l 第一章引言 1 1 等离子体概述 1 1 1 等离子体的定义 第一章引言 早在1 9 世纪初，物理学家便提出：是否存在着与已知的物质“三态 有本质区别的第四态? 随之进行了许多探索和研究。1 8 3 5 年，法拉第用低 压放电管观察到气体的辉光放电现象。1 8 7 9 年，英国物理学家克鲁克斯在 研究了放电管中“电离气体 的性质之后，第一个指出物质还存在一种第四 态。1 9 2 9 年汤克斯和朗谬尔在研究气体放电中的振荡时，首先引入等离子 体( p l a s m a ) 这一术语 1 】。从此，伴随着对天体物理和空间物理、受控热核聚 变以及低温等离子体技术应用的研究，等离子体物理学迅速发展，逐渐成为 一个独立的学科。 等离子体是物质在高温或者特定激励下的一种物质状态，是除固态、液 态和气态以外物质的第四种状态。它是“由大量正负带电粒子和中性粒子组 成的，并表现出集体行为的一种准中性气体 【2 】【3 1 。作为第四态的等离子体 有着许多独特的物理、化学性质。第一，温度高，粒子动能大。第二，作为 带电粒子的集合体，具有类似金属的导电性能。第三，化学性质活泼，容易 发生化学反应。例如，将甲烷和氢气在密闭容器中混合并使之放电，若保持 适合的容器壁温度，就会在壁面上析出一层金刚石薄膜。第四，发光特性， 可以用作光源。例如，夜晚街头绚丽多彩的霓虹灯和利用钠、水银等放电发 光的照明灯，都是我们经常见到的等离子体发光现象f 3 】。 1 i 2 等离子体的分类 按等离子体的产生，一般分为自然等离子体和实验室等离子体。自然等 离子体广泛存在于宇宙中，地球以外几乎9 9 9 以上的物质都是以等离子体 状态存在的 2 11 3 ，如恒星星系、星云，地球附近的闪电、极光、电离层等。 实验室等离子体，即人工产生的等离子体。诸如受控核聚变时产生的高温等 电子科技大学硕士学位论文 离子体、日光灯、霓虹灯中放电、火箭发动机喷管中的燃气、等离子体炬中 的电弧等都属于人工产生的等离子体。 按等离子体电离程度，可分为强电离、部分电离、弱电离等离子体。强 电离等离子体是指几乎所有中性分子( 或原子) 电离成电子和离子的等离子 体。部分电离等离子体中由中性分子( 或原子) 及部分由它们电离的电子、 离子组成。弱电离等离子体含有中性分子( 或原子) 及少量由它们电离的电 子、离子。 按等离子体温度的相对高低，可分为高温等离子体和低温等离子体。高 温等离子温度为1 0 6 1 0 8 k ，低温等离子体粒子温度从室温到3 1 0 4 k 左右 【4 1 。 1 1 3 等离子体的性质 等离子体是带电粒子的集合体，它含有电荷数目近乎相等的电子和离 子，即n - - n 。n i ，n 称为等离子体密度，n 。为电子密度，n i 为离子密度。因 此，宏观上等离子体是几乎保持电中性的，且具有粒子集体特点的物质聚集 态。等离子体中粒子间受长程库仑力作用，电子或离子运动时都可能由于局 部集中而产生电场，从而产生电流并伴有磁场，这些磁场或电场又会影响远 处的带电粒子，使带电粒子间通过库仑力产生集体相互作用。局部电磁扰动 通过振荡和波的形式传递到整个等离子体。 当等离子体稍微偏离电中性时，正负电荷分离引起极强的静电作用力， 使带电粒子的静电位能比热运动平均动能大得多，只有在极大的外电场作用 下才能维持。否则，正负电荷会在静电力作用下迅速运动，使静电位势差不 断减少，直至恢复电中性。 等离子体电中性是从宏观平均意义上来看，这是因为每个带电粒子附近 都存在电场，该电场被周围粒子场完全“屏蔽”时，在一定的空间区域外呈 现电中性。而在德拜屏蔽长度内，电中性的概念是无效的。德拜长度在等离 子体中是一个试验电荷的作用范围的量度【2 】【3 】： 纠器r m ， 其中k 为玻尔兹曼常数，温度t 的单位为k ，等离子体密度r t 单位为 2 第一章引言 c m 一。 德拜长度描述了等离子体保持电中性的空间尺度。等离子体振荡频率则 从时间尺度上描述了等离子体一旦偏离电中性而引起的巨大的静电恢复力 的响应时间。由于离子质量m i 远大于电子质量m 。，低温等离子体中电子的 热运动速度远大于离子的热运动速度。等离子体中离子的振荡频率p t 远小 于电子的振荡频率u 口e 。因此，通常把电子振荡频率称为等离子体振荡频率 ( - ) 。【2 】【3 】： 缈。：( 二4 ；7 2 ) i | 。 聊。 ( 1 - 2 ) 其中n 为电子密度，单位为c m 一。 物质处于等离子体状态下，有着丰富的波动现象。由静电力而引起的等 离子体振荡也是等离子体波的一种形式。由于等离子体是大量带电粒子的集 合体，且又是导电的。因此，等离子体的波与热压力、静电力和磁力有关。 热压力的存在会产生离子声波，静电力会产生静电波，电磁力的存在又会产 生电磁波，且这些波常常相互混杂形成混杂波，从而使等离子体中波的形式 非常多。等离子体的波动表示法与电动力学中的电磁波表示法相同。一般地， 沿z 方向传播的等离子体的波动方程可表示为如下形式t 3 】： e = e o e x p i ( 乜一耐) 】 ( 卜3 ) 其中k 为波矢。对于等离子体中的电磁波，其色散关系为【3 】 彩2 = 彩；+ 七2 c 2 ( 1 4 ) 式中波的频率u 如果小于等离子体频率( i ) p ，则波是衰减的。如果 d ，则波能在等离子体中传播。 由于等离子体是导电、准中性和多种粒子组成的气体，因此与一般气体 有相似的扩散性质。在一种浓度不均匀的气体中，可通过扩散使其均匀混合， 不同种气体也可以通过扩散而均匀混合。在等离子体中，粒子的扩散可分为 带电粒子( 电子、离子) 的双极扩散和中性粒子 的扩散。双极扩 散是指由于电子质量远小于离子质量致使扩散开始是电子的扩散速度远大 于离子的扩散速度，使电子与离子间电荷分离而产生电场。这个由电荷分离 第一章引言 放电等方法产生，放电的电场强度与气压比值较高，通常辉光放电与微波放 电中气体压强远低于大气压，因而气体粒子密度较低，粒子间碰撞弱，电子 在外电场加速作用下获取的能量不能及时传递给重粒子( 原子、离子、自由 基、分子等) 。结果，低气压等离子体中电子温度远高于重粒子温度( t 。 t i ； t 。 t n ) 。电子温度可高达几十万度，而重离子温度则接近或略高于室温。 冷等离子体己广泛用于微电子学加工、光磁记录介质加工、光电池、光电源、 臭氧生产、离子源等方面。 1 2 3 燃烧等离子体 通常火焰电离度很低，但火焰的电现象对于燃烧机理的研究以及火焰中 碳粒等污染物产生机理与控制方法的研究有重要意义。通过添加钾等易电离 物质提高气体电导率后形成的燃烧等离子体主要用于磁流体发电装置。 1 3 低温等离子体的应用 低温等离子体的应用涉及面非常广，要全面介绍非常困难。依据低温等 离子体的主要性质，把它的常规应用分为以下几类【5 】【6 】： 1 3 1 等离子体电光源 主要利用气体放电时发出的各种可见或不可见光辐射，再去激发其它材 料发光。这些应用包括低压气体放电灯、高压气体放电灯、气体放电激光、 等离子体显示器等。高低气压照明灯如荧光灯、氖灯、高压汞灯、高压钠灯、 氮灯及金属卤化物弧灯等都得到了广泛的应用。气体放电激光器主要有原子 气体激光器、分子气体激光器和离子气体激光器，它们在计测、医学、工业 上都得到了广泛的运用。近年来发展起来的大功率气体激光器在加工工业中 得到了重要的应用。等离子体显示器则是采用辉光放电，控制开关过程并选 择亮度，利用放电产生的紫外线去激发各种荧光粉以获得所需颜色的光。在 大屏幕的平面显示方面它是液晶显示器的有力竞争者，目前美、日、意的一 些新技术公司正在开发一种全彩色的交流等离子体显示器( a cp l a s m a 电子科技大学硕士学位论文 d i s p l a y s ) ，而且首台使用这种显示器可挂在墙壁上的高清晰度彩色电视机( 2 1 英寸) 己于19 9 5 年在日本面世，我国也于1 9 9 7 年生产出使用这种显示器的 高清晰度彩色电视机7 1 。 1 3 2 等离子体化工及热加工 主要利用热等离子体的高温、高焙、高能量密度的特点。这些应用包括 钛白生产、乙炔生产、超细超纯材料粉的制备、合成材料的制备、热等离子 体喷涂、废物处理与有用物质的回收、等离子体冶金、等离子体球化、等离 子体烧结等。电弧及高频热等离子体发生器已商品化。我国研制的以大功率、 高频等离子体发生器作为氧气加热的热源进行钛_ 白生产，目前己进入年产 3 0 0 0 吨的试生产阶段【_ 7 1 。用等离子体球化方法生产的铁粉已用于复印机中。 热等离子体喷涂由于集被喷涂的原料颗粒的加热、加速、熔化、撞击基板并 迅速铺展、冷却与固化等过程于一体，在很短的时间内完成上述一系列过程， 因而熔融颗粒在基板上冷却速率极高，材料晶粒来不及长大，从而可产生晶 粒细，甚至非晶玻璃体的高性能涂层。目前陶瓷陶瓷或金属陶瓷等耐磨、 耐腐蚀或耐高温的等离子体喷涂技术已成为常规的机加工工艺而得到广泛 应用。 然而目前热等离子体的最重要和最具前景的应用则是在新型特殊功能 材料的制各和废物处理方面。例如等离子体处理造纸黑液有可能最终解决长 期困扰造纸业发展的黑液污染环境问题。对其它有机、有毒废物的处理也有 良好的应用前景。 1 3 3 等离子体加工5 1 主要利用冷等离子体中电子、离子、自由基的能量或活性诱发化学反应 或物理过程，其应用包括超大规模集成电路刻蚀、材料合成及薄膜沉积和材 料表面改性等方面。从近几年来国际学术期刊与低温等离子体国际会议文集 中所发表的论文以及各国专利申请的数量看，这方面的应用己成了低温等离 子体最重要的应用领域。 6 第一章引言 1 3 3 1 刻蚀 集成电路的生产由沉积、掩模、刻蚀和剥模这些重复步骤组成，以形成 和连接象晶体管和电容器那样的电路元件。而刻蚀是微电子加工的关键工 艺。过去采用化学法刻蚀( 湿法刻蚀) ，方向性差。随着集成电路集成度的提 高，如一个p e n t i u m 芯片上集成大约5 0 0 万个元件，单个元件尺寸要求小于 0 5um ，( 正在向o 2 5l zm 发展) ，化学刻蚀己无法满足这种亚微米线宽的工 艺要求( 即使是光刻工艺也难达到此要求) ，目前己逐步被等离子体刻蚀( 干法 刻蚀) 取代【7 】。等离子体刻蚀有两个最大的优点：等离子体对刻蚀剂粒种有较 强的催化作用，因而它的刻蚀效率高：它通过鞘层来加速离子，使离子垂直 地撞击在掩模基体上，因此它能在一直线上进行方向性极强的刻蚀，从而保 证高集成度要求的高分辨率。 尽管如此，等离子体刻蚀中仍然存在着许多迫切需要解决的问题，如反 应离子刻蚀时滞和微负载，器件损坏以及尘粒( d u s tg r a i n s ) 产生等，其中以尘 粒的影响最为重要。从八十年代末开始，人们已观察到从刻蚀和沉积所用的 气体中形成大小11 tm 的尘粒，这些尘粒相对于悬浮朗缪尔探针的电位是 带负电荷的，并被悬浮在局部电位最大处的等离子体中，势阱往往正好在晶 片上的鞘层边缘，在等离子体关闭( 即鞘崩溃) 时，尘粒落到晶片上，影响芯 片的质量。 一些研究机构已在研究对此的补救办法。通过把金属和介质插入物放置 在晶片下，改变等离子体中的等电位线，从而达到除去位阱的目的。然而尘 粒污染基片的问题并没有根本解决。最近几年来，研究等离子体加工过程中 尘粒的形成及其行为对等离子体过程的影响已成为等离子体物理中的一个 重要前沿分支，简称为尘埃等离子体( d u s t yp l a s m a ) 。 1 3 3 2 薄膜沉积 通常的物理气相沉积( p v d ) 或化学气相沉积( c v d ) 在许多情况下用等离 子体增强化学气相沉积( p e c v d ) 去代替效果更好，沉积速度可以大大提高， 工件表面温度又不必很高。碳化硅、氧化硅、氮化硅等已用p e c v d 方法成 功地沉积出来。一些高品质功能膜如金刚石或类金刚石膜也制备成功，正走 向实际应用。 7 电子科技大学硕士学位论文 1 3 3 3 材料表面改性埔1 把氮和其它原子深深地植入表面，通过改变材料表面的化学成分和结 构，从而改变材料表面的物理化学性能，如硬度、摩擦及抗磨损和耐腐蚀。 这可用两种方法实现：植入原子的高能离子束，或把物体浸在植入粒种的等 离子体中并给物体一个负高压脉冲以加速等离子体离子通过鞘层进入物体 表面。前者是传统的离子注入，后者是8 0 年代后期才发展起来的新技术： 等离子体源离子植入( p si i ) 。传统的离子注入技术已经用于航空、航天、石 油、机械等行业，并已成为一些高精密、关键零部件表面处理的重要手段。 离子注入机也已商品化。在p si i 中，等离子体包围复杂表面形状的物体， 因此不必转动物体便可使其所有表面暴露于离子束中，因此比传统的离子注 入更简单、有效，目前正处于由实验室走向工业应用的阶段。在切削工具尖 端的硬化、人造关节的摩擦和磨损性能的改善及磁盘、光盘的表面处理中已 有应用的实例。目前p si i 中遇到的一些问题，如由于靶的二次电子发射， 它不仅加热壁，而且增加电源的负荷，又难于准确地计算注入计量。为了减 轻这一问题，已建议采取磁绝缘。但这对于复杂形状的工件难以实现。另外， 离子垂直注入表面，需要稠密等离子体产生较薄的鞘层等。 1 4 低温等离子体的产生胡 实验和工业中产生等离子体的方法有很多种，如：辉光放电、电晕放电、 介质阻挡放电、射频电晕放电、微波放电等。 1 4 1 辉光放电( gio wdjs c h a r g e ) 辉光放电属于低气压放电( 1 0 wp r e s s u r ed i s c h a r g e ) ，其构造是在封闭的容 器内放置两个平行的电极板，利用电子将中性原子和分子激发，当粒子由激 发态( e x c i t e ds t a t e ) 降回至基态( g r o u n ds t a t e ) 时会以光的形式释放出能量。电 源可以为直流电源也可以是交流电源。每种气体都有其典型的辉光放电颜 色，荧光灯的发光即为辉光放电。因此，实验时若发现等离子的颜色有误， 通常代表气体的纯度有问题，一般为漏气所至。辉光放电是化学等离子体实 验的重要工具，但因其受低气压的限制，工业应用难于连续化生产且应用成 8 第一章引言 本高昂，而无法广泛应用于工业制造中。目前的应用范围仅局限于实验室、 灯光照明产品和半导体工业等。 1 4 2 电晕放电( c o r o n ad is c h a r g e ) 辉光放电只能在低气压下工作，而电晕放电可以在大气压下工作，但需 要足够高的电压以增加电晕部位的电场。一般在高压和强电场的工作条件 下，不容易获得稳定的电晕放电，亦容易产生局部的电弧放电( a r c ) 。为提高 稳定性可将反应器做成非对称( a s y m m e t r i c ) 的电极形式。电晕放电反应器的 设计主要参考电源的性质而有所不同，有直流电晕放电( d cc o r o n a ) 和脉冲式 ( p u l s e dc o r o n a ) 电晕放电。由于电晕放电的范围小、能量低、放电的能量不 均匀，通常应用范围仅局限于实验室。 1 4 3 介质阻挡放电( d ieie c t ricb a r rio rdis c h a r g e ，d b d ) 介质阻挡放电( d b d ) 是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体 放电又称介质阻挡电晕放电或无声放电。介质阻挡放电能够在高气压和很宽 的频率范围内工作，通常的工作气压为1 0 4 1 0 6 p a ，电源频率可从5 0 h z 至 1 m h z 。电极结构的设计形式多种多样。在两个放电电极之间充满某种工作 气体，并将其中一个或两个电极用绝缘介质覆盖，也可以将介质直接悬挂在 放电空间或采用颗粒状的介质填充其中，当两电极间施加足够高的交流电压 时，电极间的气体会被击穿而产生放电，即产生了介质阻挡放电。在实际应 用中，管线式的电极结构被广泛的应用于各种化学反应器中，而平板式电极 结构则被广泛的应用于工业中的高分子和金属薄膜及板材的改性、接枝、表 面张力的提高、清洗和亲水改性中。 介质阻挡放电通常是由正弦波型( s i n u s o i d a l ) 、交流( a l t e r n a t i n gc u r r e n t ， a c ) 和高压电源驱动，随着供给电压的升高，系统中反应气体的状态会经历 三个阶段的变化，即会由绝缘状态( i n s u l a t i o n ) 逐渐至击穿( b r e a k d o w n ) 最后发 生放电。当供给的电压比较低时，虽然有些气体会有一些电离和游离扩散， 但因含量太少电流太小，不足以使反应区内的气体出现等离子体反应，此时 的电流为零。随着供给电压的逐渐提高，反应区域中的电子也随之增加，但 未达到反应气体的击穿电压( b r e a k d o w nv o l t a g e ；a v a l a n c h ev o l t a g e ) 时，两电 9 电子科技大学硕士学位论文 极间的电场比较低无法提供电子足够的能量使气体分子进行非弹性碰撞。缺 乏非弹性碰撞的结果导致电子数不能大量增加，因此，反应气体仍然为绝缘 状态，无法产生放电，此时的电流随着电极施加的电压提高而略有增加，但 几乎为零。若继续提高供给电压，当两电极间的电场大到足够使气体分子进 行非弹性碰撞时，气体将因为离子化的非弹性碰撞而大量增加，当空间中的 电子密度高于一临界值时及帕邢( p a s c h e n ) 击穿电压时，便产生许多微放电丝 ( m i c r o d i s c h a r g e ) 导通在两极之间，同时系统中可明显观察到发光( 1 u m i n o u s ) 的现象此时，电流会随着施加的电压提高而迅速增加。 虽然介质阻挡放电已被开发和广泛的应用，可对它的理论研究还只是近 2 0 年来的事，而且仅限于对微放电或对整个放电过程某个局部进行较为详 尽的讨论，并没有一种能够适用于各种情况d b d 的理论。其原因在于各种 d b d 的工作条件大不相同，且放电过程中既有物理过程，又有化学过程， 相互影响，从最终结果很难断定中间发生的具体过程。 1 4 4 射频放电( r a d j 0f r e q u e n c yd is c h a r g e ) 射频放电按能量耦合的方式又可以分为：电感耦合放电( h d i s c h a r g e ) 和 电容耦合放电( e d i s c h a r g e ) 。 电容耦合射频放电是将交变电场施加在相距约数厘米处于放电管内的 平板电极( 内电极方式) 之间或处于绝缘放电管外的环形电极( 外电极或无电 极方式) 之间。射频能量通过电容耦合到放电管内而激发、产生和维持等离 子体放电。常规的射频放电系统主要由射频发生器和阻抗匹配网络组成。电 容耦合射频放电产生的等离子体有一个显著的特征就是自偏压，它是指等离 子体与施能电极之间有一个负直流电位。由于等离子体与施能电极间有电位 差，靠近施能电极的离子能量能达数百电子伏特，因此该类型等离子体适合 应用于薄膜沉积、等离子体刻蚀以及绝缘材料溅射等。 电感耦合射频放电是将交变电场施加在电感线圈上，电感线圈可以直接 置于等离子体放电室中，也可以通过绝缘窗口隔离于放电室外。有射频电流 流过的电感线圈形成一个高频变压器，在线圈周围产生交变的磁场，交变的 磁场在等离子体放电室中产生电场，自由电子从该电场中获得能量去电离中 性气体分子或原子，于是电感耦合等离子体放电得以产生并维持。电感耦合 等离子体也被广泛应用于薄膜沉积、等离子体刻蚀以及离子源等。 l o 第一章引言 1 4 5 微波放电 微波放电是将微波功率通过波导和谐振腔馈入等离子体发生器中，产生 强的交变电场，它使气体击穿，从而产生并维持等离子体放电。在微波频段， 电磁辐射与等离子体的相互作用通常是集体相互作用，此时，等离子体作为 一种介电媒质参与。微波放电的典型频率为2 4 5 g h z ，因此，微波放电的一 个显著特征是其波长( 入= 1 2 2 4 厘米) 与通常实验等离子体发生器的尺寸相当 【l 们。微波放电产生的等离子体比直流和射频等离子体有更高的电子温度，典 型值为5 1 5 电子伏，而直流或射频等离子体电子温度通常只有l - 2 电子 伏。另外，微波放电可以在很宽的气体压强范围内产生等离子体，一般可以 从一个大气压到e c r 微波放电的1 0 一t o r r 。非磁化的微波放电通常工作气 压为1 0 m t o r r 到一个大气压，而磁化的e c r 微波放电一般工作在1 0 m t o r r 到1 0 一t o r r 。由于微波放电有更高的电子温度和低的工作气压，因而能比直 流或射频放电提供更高的电离度和离解度，在低工作气压下也可以达到较高 的等离子体密度。 1 5 低温等离子体物理研究现状及面临问题 低温等离子体的广泛与多样实际应用推动着低温等离子体物理学研究 的发展。美、加、法、俄、英、荷、瑞典、南非等国在热等离子体研究与工 业应用方面，以及美、日、俄、法等国在冷等离子体研究与应用方面，都已 开展了几十年的工作。在美国，工业应用主要由一些大公司进行研究与开发， 如热等离子体方面，w e s t i n g h o u s e 公司等研制了大功率等离子体发生器，并 用于冶金、废料处理，材料加工等方面；通用电气公司等研制了低压等离子 体喷涂设备并用于飞机发动机涡轮叶片耐热涂层喷涂；b e t h l e h e m 钢铁公司 进行等离子体冶金研究。在冷等离子体方面，对刻蚀、聚合、沉积、溅射、 表面处理等方面都进行了研究和实际应用，i b m 公司、b e l l 实验室是最主要 的研究单位。 日本主要偏重于技术开发，在低压等离子体刻蚀、镀膜、聚合、溅射与 热等离子体喷涂、制粉等许多方面进行研究与开发，日本在先进的e c r ( 电 子回旋共振) 系统的开发方面处于世界领先地位，给半导体制造厂提供了 电子科技大学硕士学位论文 e c r 刻蚀与镀膜设备。近年来，由日本政府科技厅、文部省与日本学术振兴 会组织了“热等离子体加工一、“等离子体材料处理力、“反应性等离子体 加工 等研究计划，促进有关应用基础研究。在此值得一提的是，日本特别 注意在该领域的专利申请，并处于居先地位。 我国低温等离子体研究与开发，其发展极不平衡。在热等离子体方面， 有较好的基础；但在冷等离子体的最重要的工业应用等离子体刻蚀和镀 膜方面，却研究较少。所幸，国家自然科学基金委已充分注意到了这种情况， 正积极鼓励、推动该研究课题的发展【6 1 。 目前在等离子体的各种应用中都遇到相同的问题，这主要是对等离子体 加工过程的机理了解不够，加之可变参数太多，缺乏有效的监测与调节手段， 造成工艺过程重复性差，产品质量不稳定，产量低或效率不高。因此低温等 离子体物理的基础研究就显得格外重要。 1 6 本论文研究工作的意义、目的和研究内容 我国低温等离子体研究与开发，其发展极不平衡。特别是在冷等离子体 的最重要的工业应用一一等离子体刻蚀和镀膜方面，却研究较少。目前在等 离子体的各种应用中都遇到相同的问题，这主要是由于低温等离子体是由多 种粒子组成的复杂体系，其内部及等离子体与固体表面存在多种物理化学过 程。它易受外界电磁场的影响，又受内部感应场的作用，内部粒子间的碰撞 或散射又不断影响内部集体的自洽场作用。所以等离子体比非电离气体复杂 得多，至今仍有许多相关的内部机制未被完全了解。在工业应用中，对等离 子体加工过程的机理了解不够，大多数过程的机理图象还不够清晰、完整， 且受加工工艺有关的因素多，参数范围大，过程复杂，因此缺乏有效的监测 与调节手段，造成工艺过程重复性差，产品质量不稳定，产量低或效率不高。 所以，低温等离子体物理的基础研究就显得格外重要。基础研究中实验研究 面临很大的困难。一是研究周期长，特别是涉及系统结构改变时，研究往往 需要几周以上的时间；二是影响因素多，对某一具体过程研究无法避免其它 因素的作用；三是无法进行细节研究；四是成本较高。随着计算机的计算速 度、硬盘容量的飞速发展，数值计算和模拟研究显得愈来愈重要。 本论文对低温等离子体放电的研究中，主要做了以下几方面的工作： 1 2 第一章引言 一、查阅国内外资料文献，明确研究目的，对可采用的方案进行充分的 调研和分析。 二、从实际需求出发，根据气体放电的基本原理，对采用流体模型数值 模拟低温等离子体放电的过程进行了数值分析论证。流体模型分析低温等离 子体放电过程既解决了自洽问题，也考虑到了带电粒子的非平衡问题，能够 反应出等离子体的主要宏观性质，是一种简单快捷的分析方法。 三、在l i n u x 操作系统下，用f o r t r a n 语言编程数值模拟了低温等 离子体放电的物理过程，以射频电感耦合、电容耦合等离子体放电为例，模 拟了其放电过程，分析了放电中不同结构和放电气压对等离子体密度分布等 重要参数的影响。这样就为等离子体工业应用的实验研究和生产提供了理论 依据，从而在了解物理过程的基础上，找到合适的参数范围有效的对其监测 与调节，提高产品效率和质量。 四、为了验证结果的正确性，用气体放电软件o o p i c 对结果进行了比 较。 电子科技大学硕士学位论文 第二章气体放电基本理论分析 2 1 气体放电的历史回顾 早在公元前6 世纪，希腊学者就发现了用毛皮摩擦起电的现象，但气体 放电的过程却是经过很长的时间才被人们逐渐所认识】。 1 7 4 6 年，科学家建成了世界上第一批莱盾瓶，采用这种仪器研究火花 放电和充电现象。19 世纪初，真空技术取得了重大进展，可以把容器内的 压强抽到o 1 托左右。1 8 5 1 年，鲁赫可夫发明了电感线圈，可以产生很高的 电压，高压能量足以杀死一只小动物。在这些基础上，科学家得以在实验室 内进行气体放电实验。克鲁克斯设计了一种圆柱形放电管，对辉光放电的区 域进行了研究，发现了阴极暗区。德国物理学家希托夫用实验证明可以把正 柱区无限延长，霓虹灯就是利用这个道理，可以把很长的放电管弯曲成各种 形状。l8 7 8 年米勒等人制作了当时世界上输出功率最大的电池，来研究着 火电压同气压的关系。1 8 7 6 年，科学家克鲁克斯发现了一种看不见的射线， 因为它是从放电管的阴极发出的，因此叫阴极射线。这种奇妙的射线引起了 许多科学家的重视，其中英国科学家汤姆森在这个方面做出了杰出的贡献， 他采用了自己设计的一种装置，在阴阳极之间架几千伏的高压，产生了放电。 在同时证明，阴极射线是一种带负电的粒子流，会受到电极之间静电场力的 偏转，并且发现这种带负电的粒子的质量比任何原子都小，说明这是一种新 粒子，被命名为电子。电子的发现阐明了气体放电的本质，即在阴极和阳极 之间电离的气体中分离出了电子，这说明气体放电的基本过程是中性分子或 原子分离成分别带正负电荷的电子和离子。电子的发现是现代科学技术的起 点，而电子式在气体放电中发现的，因此，气体放电在现代科学技术发展史 上起了极重要的作用。 试验技术的发展以及理论的逐步完善，使人们逐渐深入地了解这一过 程。虽然1 9 0 0 年以前有很多试验，但直到1 9 0 0 年，汤生才提出了气体放电 的第一个理论繁流放电理论，根据这个理论，可以导出放电的电流密度 和放电着火条件，从而可以从理论上导出帕刑定律的表达式。1 9 0 3 年汤生 又提出了气体击穿理论，并于1 9 1 0 年发表了击穿判据【1 2 】【13 1 。汤生可以解释 1 4 第二章气体放电基本理论分析 许多气体击穿现象：气压、极距等对击穿电压的影响；用电子附着理论解释 负电性气体的高击穿电压；混合气体中的彭宁效应等。但汤生理论并没有考 虑电子雪崩的空间电荷效应，1 9 3 9 年雷特等建立了流注理论，流注理论考 虑了这种空间电荷效应，从而对放电过程作了根本性的补足。后来示波器的 出现使放电理论又前进了一步。近年来，电子计算机的迅速发展促进了气体 放电的理论计算。人们通过在计算机上对各种放电现象建立模型，进行模拟， 使得原来用解析方法很难甚至不能解决的问题，用计算机就能很快的得到结 果，从而大大促进了理论工作的发展。 电极之间的气体，在未施加电压之前是绝缘体，电极空间只存在着少量 的电子或离子，只有在施加一定的电压值之后，气体被击穿，导电电流突然 增大，气体才会从绝缘体逐步转变成导电体并在放电空间产生明亮的光。关 于气体的击穿，文献】详细介绍了低频情况、高频情况时电极间隙的击穿理 论。无论是高频还是低频情况，击穿的基本过程都是电离以及带电粒子的运 动。气体放电时，放电空间会产生大量的电子和正离子，在极间电场的作用 下，他们将作迁移运动，形成电流。管压降与放电电流的关系称为气体放电 的伏安特性，根据伏安特性曲线，可将它分成七个区，如下图所示【1 2 】【1 3 】【1 4 】： 图2 - 1 气体放电伏安特性曲线 1 区：非自持放电区。非自持放电是指“其带电粒子是由外界电离源引 起的，当外界电离源取消时，放电停止。 非自持放电电流范围在1 0 - 2 0 1 0 。2 0 a 。 2 区：自持暗放电区。自持放电是指介质的电导率通过再生电离抵消复 合以及其他损耗机理得以维持，从而产生持续放电。 3 区：过渡区。这是很不稳定的过渡区域。 1 5 电子科技大学硕士学位论文 4 区：正常辉光放电区。在此范围内，若使电流增加，则管压降几乎维 持不变。管内出现明暗相间辉光。 5 区：反常辉光放电区。此区域随着电流增加，管压降也增大。 6 区：过渡到电弧放电的区域。 7 区：弧光放电区。放电管内出现明亮的弧光，管压降较低，电流较大。 如果从应用的角度可以将气体放电分成以下几类： ( 1 ) 无声放电( 或称暗放电) ，放电电流密度小，没有空间电荷引起的电 场畸变，产生的放电较弱，而不发光。 ( 2 ) 辉光放电，这种放电外加电压超过气体的着火电压，限流电阻大，特 点是具有明亮的辉光，端电压较大，放电电流小。 ( 3 ) 弧光放电，这种放电的限流电阻很小，电源功率足够大，其特点是端 电压低，同时发出较大的热量。 ( 4 ) 电晕放电，在放电的两个电极中至少有一个电极曲率半径很小，外加 电阻较大，电压较高，气压也较高。 ( 5 ) 火花放电，气体压强较高，电场较均匀，而电源功率不够大时有可能 产生火花放电。其特点是形成明亮的火花，火花又分叉。这是一种不稳定的 放电，放电后立即熄灭，然后又产生下一次放电。 ( 6 ) 高频放电，在稀薄气体中施加高压时会形成高频放电，其特点是着火 电压比直流放电时低，放电过程与阴极表面特性无关。 ( 7 ) 无极放电，电极表面覆盖介质层，施加低频或高频信号时产生无极放 电，其特点是电极不暴露在已电离的气体中，故电极溅射不严重。 d x d 图2 - 2 电子繁流示意图 1 6 第二章气体放电基本理论分析 2 2 汤生气体放电原理 假设阴极和阳极是一组相互平行的平板形电极，x 轴垂直电极平板，如 图2 2 所示。 下面从分析电子在无限小气体薄层出内所引起的电离，来看电子从阴极 到阳极所引起的电离情况。 假设在单位时间内从单位阴极表面所逸出的电子数为，则与相应的 阴极电流密度为厶，又假设从阴极飞向阳极的电子穿过距阴极为z 的平面上 每单位面积的电子数为力，。由于一个电子在每一厘米路程上引起的电离次数 为口，因此每个电子在路程出上所产生的平均电离次数为础，而由飞入出 薄层的靠，个电子产生的平均电离次数则应为咒，础。这也就是在出路程内， 由这个电子所产生的电子数。用数学式子表示为【1 2 】【1 3 】【1 4 】 幽。= 刀。础( 2 1 ) 将上式分离变量后再积分，并注意当工= 0 时，刀，= ，我们就可得到在 均匀电场中繁流增长规律：【1 2 】【1 3 】【1 4 】 或 ”，= 2 0 e 。 ( 2 2 ) j i = j o e ( 2 3 ) 式中，工为阴极到给定点的距离，口是电子电离系数，甩，是距阴极z 处的电 子数，l 是与甩，相对应的电流密度。 对于不均匀电场，由于口是随着距离x 变化的，即口是x 的函数，因而 繁流增长的规律可表示为】【1 2 j 【1 3 】 j 础 刀j2 刀0 口o ( 2 4 ) 如果阴极和阳极的距离为d ，则在均匀电场中，到达阳极的电子数为 万口= 1 , 1 0 e 耐 1 7 ( 2 5 ) 电子科技大学硕士学位论文 与此相对应的电流密度为】【1 2 】 1 3 1 ( 2 6 ) 由此可以算出从阴极逸出的拜。个电子所引起的电离次数，亦即他们所产 生的新的电子数( 或等量的离子数) 应为【1 1 】【1 2 】( 1 3 】 行。p 谢一行。2 以。( e 谢一1 ) ( 2 - 7 ) 在大多数情况下，由正离子引起的空间电离比电子引起的电离小的多， 因此，可以忽略正离子的空间电离作用，即令= 0 。 但是当电子繁流所产生的n 0 0 耐一1 ) 个正离子轰击阴极时，由于y 过程， 将使阴极逸出矽。0 耐一1 ) 个新电子，这样一来，从阴极逸出的电子数将不止 是由外界电离源所产生的电子数刀。，而应为n 。加上由y 过程产生的二次电子 数，即【1 1 1 1 1 2 1 1 a l 啊= o + ? n o ( e 耐一1 ) ( 2 - 8 ) y ! 个电子将重复以上的过程。如果放电达到稳定状态，则从阴极逸出的 电子数就不会再增加，应仍为，z i ，故【1 1 】【1 2 】【1 3 】 n 2 = n i2 +朋10耐一1)(2-9) 或 刀t 2 i 而n o 此时，到达阳极的电子数为【l l 】【1 2 】 1 3 1 n 口2 ，1 1 e 耐 e a e 刀口2 甩。1 - y ( e a - 1 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2