兩種正離子對磁化等離子體鞘層中塵埃顆粒的影響
建立了包含兩種不同種類正離子的磁化等離子體鞘層的流體模型, 通過四階龍格庫塔法數(shù)值模擬了含有兩種不同種類正離子對等離子體鞘層中塵埃粒子的影響。結(jié)果表明對于含有He+ 和Ar+ 的穩(wěn)態(tài)等離子體來說, 隨著離子溫度的升高和Ar+ 密度的增加, 塵埃粒子充電所帶電量越多; 塵埃密度越高, 其帶電量越低。此外, 對于帶有一定負(fù)電的塵埃粒子來說, 離子的溫度、鞘邊Ar+ 的含量以及鞘層中離子與中性粒子的碰撞對鞘層中塵埃粒子的密度和速度都產(chǎn)生一定的影響。
等離子體在材料表面改性、半導(dǎo)體加工等應(yīng)用中, 常會在待加工的基板表面或等離子體器壁處所形成的等離子體鞘層中不同程度地產(chǎn)生一些塵埃顆粒, 這些進(jìn)入等離子體鞘層中的塵埃顆粒由于收集等離子體中的電子和離子而帶電, 電子的運動速度高于離子運動速度使得塵埃顆粒通常帶負(fù)電(不考慮塵埃表面的二次電子發(fā)射等) , 帶電的塵埃顆粒在電磁場力的作用下懸浮于鞘層中。塵埃顆粒的線度大小從納米量級到微米量級不等, 質(zhì)量大致為10-15~ 10-2 g,所帶電荷約在103~ 106個電子電量。正因為處于鞘層中的塵埃顆粒質(zhì)量大、帶電量多等特點, 一方面將使得等離子體鞘層結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變, 對等離子體的局域特性產(chǎn)生較大影響, 導(dǎo)致轟擊材料表面的離子能量失去控制, 這將嚴(yán)重影響制備材料的質(zhì)量; 另一方面, 大量的塵埃顆粒在等離子體放電結(jié)束時由于重力的作用將落于加工器件的表面易造成污染。因此為了控制或者免塵埃顆粒所造成的基片污染或提高其它等離子體精加工質(zhì)量的目的, 有必要研究塵埃顆粒在等離子體鞘層中的充電特性以及在鞘層中的分布特點。
近些年來很多學(xué)者對等離子體鞘層中所出現(xiàn)的塵埃顆粒從不同角度進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)研究了等離子體鞘層中塵埃粒子的充電行為, 研究結(jié)果顯示流向塵埃顆粒的帶電粒子流滿足軌道限制理論(OML 理論) , 塵埃顆粒的帶電量隨塵埃密度的增加逐漸減少。文獻(xiàn)討論了重力、離子拖拽力以及磁場等因素對鞘層中塵埃顆粒的影響。盡管上述文獻(xiàn)對等離子體鞘層中的塵埃顆粒已經(jīng)做了充分的研究, 但是目前的研究還是主要集中在正離子僅含有一種的情形。由于隨著等離子體應(yīng)用的發(fā)展, 等離子體中兩種正離子的使用已經(jīng)逐漸變的廣泛, 并且一些科學(xué)家開始對含有兩種正離子的磁化等離子以及磁化電負(fù)性等離子體鞘層進(jìn)行了研究, 研究結(jié)果顯示另一種正離子的存在對鞘層的結(jié)構(gòu)特性帶來了一定的影響。正因為塵埃顆粒在一些等離子材料處理中可能的出現(xiàn), 以及塵埃顆粒的帶電量和塵埃粒子在鞘層中的行為取決于鞘層中帶電粒子種類等因素, 所以有必要研究兩種正離子對磁化等離子鞘層中塵埃顆粒的影響。
鑒于此, 本文將采用流體模型和塵埃顆粒充電方程自洽模型來研究兩種正離子對磁化等離子體鞘層中塵埃顆粒的充電性質(zhì)、顆粒的分布特性等產(chǎn)生的影響, 所得結(jié)果可以為等離子體加工過程中有效控制塵埃粒子的運動進(jìn)一步提供理論指導(dǎo)。
本文主要研究了含有He+ 和少量Ar+ (&= 0~0.1) 的兩種正離子對磁化等離子體鞘層中塵埃粒子產(chǎn)生的影響。通過模擬發(fā)現(xiàn), 在塵埃粒子達(dá)到充電平衡時, 塵埃粒子的帶電量隨著塵埃粒子密度的增加帶電量逐漸降低, 同時Ar+的存在, 使得塵埃粒子的帶電量隨著其含量的增加而增加, 離子的溫度越高, 塵埃粒子的帶電量越多。對于處于鞘層中一定帶電量的塵埃粒子來說, 鞘邊Ar+的存在, 使得鞘層中塵埃粒子的密度增多、沿鞘層方向的速度降低, 并且塵埃粒子在鞘層中分布隨Ar+含量增加時呈波動變化。離子的溫度越高, 以及離子和中性粒子的碰撞頻率越大, 都會導(dǎo)致鞘層中塵埃粒子的密度越大,沿鞘層方向的速度越小。
