射頻電感耦合離子源放電室內(nèi)放電等離子體的二維磁流體模擬研究

2013-04-03 聶軍偉核工業(yè)西南物理研究院

　　為了研究平面盤香形射頻離子源等離子體放電特性，對(duì)射頻電感耦合離子源內(nèi)的放電等離子體運(yùn)用磁流體動(dòng)力學(xué)建立二維磁流體模型進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了放電室內(nèi)等離子體參數(shù)分布。結(jié)果發(fā)現(xiàn)電子由于受雙極性電勢(shì)的約束主要分布在放電室的中心，放電等離子體吸收能量的區(qū)域主要在放電室內(nèi)距天線1 cm 附近。對(duì)比電子的溫度和離子密度分布，在低氣壓條件下，電子加熱的區(qū)域和產(chǎn)生電離的區(qū)域是分開(kāi)的，電子加熱的區(qū)域出現(xiàn)在線圈附近，而最強(qiáng)的電離過(guò)程發(fā)生在雙極性電勢(shì)最高的位置附近。

1、介紹

　　射頻感性耦合離子源由于具有高密度、無(wú)污染、易維護(hù)和長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于離子束刻蝕、材料表面改性和薄膜加工等領(lǐng)域。相對(duì)于電子回旋振蕩源和螺旋波源，電感耦合離子源設(shè)計(jì)加工相對(duì)簡(jiǎn)單并能在沒(méi)有外來(lái)磁場(chǎng)的約束下，產(chǎn)生均勻的等離子體。射頻感應(yīng)耦合離子源根據(jù)天線的形狀主要有兩種結(jié)構(gòu)：螺旋形和盤香型。高密度大面積離子源的發(fā)展趨向于盤香形射頻感應(yīng)耦合離子源。如圖1：它主要由射頻天線、等離子體放電室和引出系統(tǒng)組成。工作原理為：當(dāng)放置在介質(zhì)窗上的射頻線圈中流入一定的射頻電流，在放電室中感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)射頻電場(chǎng)，感應(yīng)電場(chǎng)會(huì)加速電子運(yùn)動(dòng)，使之不斷與中性氣體分子碰撞電離，從而將感應(yīng)線圈中的射頻能量耦合到電離的氣體中維持等離子體放電。大部分由射頻放電產(chǎn)生的離子經(jīng)柵極系統(tǒng)引出形成離子束。

盤香型射頻感應(yīng)耦合離子源

圖1 盤香型射頻感應(yīng)耦合離子源

　　雖然射頻感應(yīng)離子源的基本原理描述起來(lái)并不復(fù)雜，但其內(nèi)部的物理機(jī)制仍然難以精確得知。長(zhǎng)久以來(lái)，研究者普遍采用數(shù)值模擬的方法來(lái)分析射頻離子源放電室內(nèi)的物理過(guò)程，發(fā)展形成了多種不同近似程度的模擬計(jì)算方法。其中主要包括完整的動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法、流體近似方法、關(guān)于漂移擴(kuò)散方程方法和PIC 方法等。例如Kolobov、Kaganovich 等采用求解關(guān)于電子能量的非局域動(dòng)理論的玻耳茲曼方程等模擬計(jì)算電感耦合等離子體的放電狀態(tài)。Lymberopoulos 和Economou 通過(guò)PIC/MCC 方法研究對(duì)射頻耦合等離子體進(jìn)行二維模擬計(jì)算。本文我們對(duì)射頻離子源放電室內(nèi)的等離子體建立二維流體模型進(jìn)行計(jì)算。

2、數(shù)值模擬

2.1、模擬區(qū)域

　　我們所模擬的為自行設(shè)計(jì)的電感耦合射頻離子源在壓強(qiáng)為0.133 Pa，功率為300 W下的等離子體放電過(guò)程。模擬的區(qū)域?yàn)槎S軸對(duì)稱區(qū)域如圖2所示，其中A 為電感線圈，B 為電介質(zhì)窗口，C 為放電室，D 為放電室壁，E 為引出柵，為了簡(jiǎn)化看做是放電室壁。模擬放電室C 的寬度為d，長(zhǎng)度為l。

模擬區(qū)域

圖2 模擬區(qū)域

2.2、物理模型

　　磁流體模型把每種粒子看做流體，考慮的反應(yīng)類型有彈性碰撞、激發(fā)、電離等。模擬計(jì)算的耦合偏微分方程系統(tǒng)包括電子連續(xù)性方程，電子平均能量方程、離子和中性粒子連續(xù)性方程、能量方程和安培定律等。電子連續(xù)性方程：

　　其中μe 是遷移率為4×1024[m×V×S]/Nnm2/ (V·s)，Nn 為中性氣體密度。De 是擴(kuò)散系數(shù)為μe×Tem2/s，Re 是反應(yīng)源項(xiàng)為ΣxjkjNnne。xj 是反應(yīng)粒子的摩爾分?jǐn)?shù)，kj 是反應(yīng)系數(shù)，ne 是電子密度。初始電子密度設(shè)定為1015/m3。

　　電子平均能量方程：