两种正离子对磁化等离子体鞘层中尘埃颗粒的影响
建立了包含两种不同种类正离子的磁化等离子体鞘层的流体模型, 通过四阶龙格库塔法数值模拟了含有两种不同种类正离子对等离子体鞘层中尘埃粒子的影响。结果表明对于含有He+ 和Ar+ 的稳态等离子体来说, 随着离子温度的升高和Ar+ 密度的增加, 尘埃粒子充电所带电量越多; 尘埃密度越高, 其带电量越低。此外, 对于带有一定负电的尘埃粒子来说, 离子的温度、鞘边Ar+ 的含量以及鞘层中离子与中性粒子的碰撞对鞘层中尘埃粒子的密度和速度都产生一定的影响。
等离子体在材料表面改性、半导体加工等应用中, 常会在待加工的基板表面或等离子体器壁处所形成的等离子体鞘层中不同程度地产生一些尘埃颗粒, 这些进入等离子体鞘层中的尘埃颗粒由于收集等离子体中的电子和离子而带电, 电子的运动速度高于离子运动速度使得尘埃颗粒通常带负电(不考虑尘埃表面的二次电子发射等) , 带电的尘埃颗粒在电磁场力的作用下悬浮于鞘层中。尘埃颗粒的线度大小从纳米量级到微米量级不等, 质量大致为10-15~ 10-2 g,所带电荷约在103~ 106个电子电量。正因为处于鞘层中的尘埃颗粒质量大、带电量多等特点, 一方面将使得等离子体鞘层结构会发生改变, 对等离子体的局域特性产生较大影响, 导致轰击材料表面的离子能量失去控制, 这将严重影响制备材料的质量; 另一方面, 大量的尘埃颗粒在等离子体放电结束时由于重力的作用将落于加工器件的表面易造成污染。因此为了控制或者免尘埃颗粒所造成的基片污染或提高其它等离子体精加工质量的目的, 有必要研究尘埃颗粒在等离子体鞘层中的充电特性以及在鞘层中的分布特点。
近些年来很多学者对等离子体鞘层中所出现的尘埃颗粒从不同角度进行了研究。文献研究了等离子体鞘层中尘埃粒子的充电行为, 研究结果显示流向尘埃颗粒的带电粒子流满足轨道限制理论(OML 理论) , 尘埃颗粒的带电量随尘埃密度的增加逐渐减少。文献讨论了重力、离子拖拽力以及磁场等因素对鞘层中尘埃颗粒的影响。尽管上述文献对等离子体鞘层中的尘埃颗粒已经做了充分的研究, 但是目前的研究还是主要集中在正离子仅含有一种的情形。由于随着等离子体应用的发展, 等离子体中两种正离子的使用已经逐渐变的广泛, 并且一些科学家开始对含有两种正离子的磁化等离子以及磁化电负性等离子体鞘层进行了研究, 研究结果显示另一种正离子的存在对鞘层的结构特性带来了一定的影响。正因为尘埃颗粒在一些等离子材料处理中可能的出现, 以及尘埃颗粒的带电量和尘埃粒子在鞘层中的行为取决于鞘层中带电粒子种类等因素, 所以有必要研究两种正离子对磁化等离子鞘层中尘埃颗粒的影响。
鉴于此, 本文将采用流体模型和尘埃颗粒充电方程自洽模型来研究两种正离子对磁化等离子体鞘层中尘埃颗粒的充电性质、颗粒的分布特性等产生的影响, 所得结果可以为等离子体加工过程中有效控制尘埃粒子的运动进一步提供理论指导。
本文主要研究了含有He+ 和少量Ar+ (&= 0~0.1) 的两种正离子对磁化等离子体鞘层中尘埃粒子产生的影响。通过模拟发现, 在尘埃粒子达到充电平衡时, 尘埃粒子的带电量随着尘埃粒子密度的增加带电量逐渐降低, 同时Ar+的存在, 使得尘埃粒子的带电量随着其含量的增加而增加, 离子的温度越高, 尘埃粒子的带电量越多。对于处于鞘层中一定带电量的尘埃粒子来说, 鞘边Ar+的存在, 使得鞘层中尘埃粒子的密度增多、沿鞘层方向的速度降低, 并且尘埃粒子在鞘层中分布随Ar+含量增加时呈波动变化。离子的温度越高, 以及离子和中性粒子的碰撞频率越大, 都会导致鞘层中尘埃粒子的密度越大,沿鞘层方向的速度越小。
