宋巧丽[1]2004年在《射频等离子体中尘埃粒子和尘埃空洞的实验研究》文中认为带电的尘埃粒子广泛存在于宇宙空间、实验室等离子体装置中和材料等离子体加工工艺中。近年来，特别是在人们认识到尘埃粒子是影响半导体集成电路加工质量的关键问题后，关于尘埃粒子在等离子体中的带电量、尘埃粒子在鞘层中的生长及其运动模式等方面的研究备受关注。本文所研究的尘埃颗粒是利用等离子体增强化学反应法原位生成的。文中着重进行了以下两个方面的研究： 一、等离子体中尘埃粒子平衡电荷量的测量 通过研究尘埃粒子在平衡位置处的受力情况确定尘埃颗粒所带的电荷量。主要考虑两种力的作用即尘埃粒子所受的电场力和重力。根据这两种力的平衡关系就可以粗略得出尘埃粒子在平衡位置处的电荷量。 计算结果表明：实验中所研究的尘埃粒子在平衡位置处所带的电荷为10~2-10~6个基本电荷，这和其他研究者的结果比较符合。 二、等离子体中尘埃云和尘埃空洞的研究 本文主要研究在射频(13.56MHz)等离子体中，尘埃云在等离子体中的形成、生长过程，研究了尘埃颗粒在等离子体鞘层中的行为模式如悬浮位置、悬浮状态、不稳定性等。特别是研究了反应参数如气压、射频功率、电极形状等对尘埃空洞的形成、大小及其运动变化的影响。 实验结果表明：1．随着反应气压的增加，尘埃云和尘埃空洞的尺寸也逐渐增大，但当气压增大到一定值时，空洞的扩张速度会变慢。2．随着射频功率的增加，尘埃云和空洞的大小都是随功率先增大后减小的。3．驱动电极上约束孔的形状不影响尘埃空洞的形状，但是约束孔的大小影响形成的空洞大小。4．在空洞的形成过程中伴随着空洞的扩张和收缩以及旋转现象发生。
侯璐景[2]2005年在《射频鞘层中尘埃粒子的运动过程及尘埃晶格形成机理的研究》文中进行了进一步梳理尘埃等离子体是由电子、离子以及一些带电的尘埃颗粒组成的复杂等离子体,它广泛地存在于星际空间以及地球上各种气体放电实验中。研究尘埃等离子体的产生以及它的物理特性不仅对等离子体技术在半导体芯片加工、磁约束核聚变、空间探测等领域的应用有着重要的参考价值,同时它能够揭示等离子体物理学以及其它相关领域中新的物理现象。因而,在最近二十多年里,这一研究领域极大地吸引了众多科学家的兴趣,并成为等离子体物理学乃至整个物理学领域一个研究热点。特别是在气体放电实验室中,尘埃粒子的存在会产生一些令人惊奇的发现,如尘埃晶格的形成、尘埃空洞的形成、外磁场作用下尘埃晶格的旋转、强耦合尘埃等离子体声波、激光束诱导尘埃等离子体中的马赫锥现象等。 本文主要研究在实验室放电条件下射频等离子体鞘层的物理特性、尘埃颗粒在射频等离子体鞘层中的悬浮、充电和运动规律,并揭示尘埃颗粒在鞘层中的非线性振荡、尘埃晶格形成和旋转、马赫锥(波)等现象产生的内在物理机制。 在第一章,简述了尘埃等离子体在自然界中的存在、实验室尘埃等离子体中发生的一些物理现象、以及对这些现象开展的相关理论与实验研究进展等。 在第二章,考虑到在典型的气体实验中带电尘埃颗粒都是悬浮在电极上方的鞘层区域,而且鞘层的物理特性会对尘埃颗粒的运动和尘埃晶格的形成产生重要的影响,所以分别建立了自洽的一维和二维碰撞射频等离子体鞘层模型,以及二维磁化射频等离子体鞘层模型,详细地研究了这些射频鞘层的动力学演化过程,尤其是研究了电极的表面拓扑结构对鞘层电场分布、离子流密度分布的影响,以及E×B引起的环向离子流效应。 在第叁章,系统研究了单个尘埃粒子在射频鞘层中的充电、受力、悬浮及运动过程。特别是研究了在扰动探针作用下单个尘埃粒子在射频鞘层中的非线性共振,结果不仅成功地再现了Ivlev等人[Phys.Rev.Lett.,85,4060(2000)]的实验观察,同时还从理论上揭示了尘埃粒子发生倍频共振和迟滞现象的物理原因以及放电气压、扰动探针的参数对这些现象的影响。 在第四章,研究了大量相互作用着的尘埃粒子在射频等离子体鞘层中的悬浮、运动及形成尘埃晶格的过程。首先在二维鞘层模型的基础上,研究了鞘层中由径向约束引起的二维尘埃晶格的形成过程及其结构变化,并发现对于含有少量尘埃粒子的库仑团簇,其结构随着尘埃粒子个数的变化有着明显的周期性。其次进一步分析了穿越鞘层边界的离子流产生的尾流效应与叁维尘埃晶格的形成机制,发现尾流效应会在尘埃粒子下方引
宋岩[3]2008年在《尘埃等离子体中有两种尘埃粒子时的空洞形成》文中研究说明带电的尘埃粒子广泛存在于宇宙空间、实验室的等离子体装置中和材料等离子体加工等环境中。近年来,人们认识到尘埃粒子是影响半导体集成电路加工质量的关键问题,尘埃与等离子体的相互作用形成的尘埃等离子体已经成为等离子体物理学的重要分支之一。尘埃等离子体空洞是尘埃等离子体中具有厘米尺寸的无尘埃区域,和周围等离子体有陡峭的边界。在大量的实验室实验和工业材料的微电子加工中,都观察到尘埃空洞的自发形成。为了降低尘埃粒子对工业材料的污染,保证微电子加工的有效进行,必须对等离子体中尘埃空洞形成机理进行研究,尤其是与实际更为接近的包含有多种尺寸尘埃粒子的情况。本文以等离子体中含有两种不同尺寸尘埃粒子作为系统包含多种尘埃粒子的代表,在一维柱坐标系下对整个系统不稳定性的非线性演化阶段进行了数值模拟研究。研究表明,小尘埃粒子先形成尘埃空洞,形成过程与只有一种尺寸尘埃粒子的情形相同。当小尘埃的空洞达到饱和时,整个系统接近达到稳态,而大尘埃粒子继续向外运动,最终被排出去,与小尘埃粒子分开。本文工作主要分为以下叁部分:第一章主要介绍了等离子体的概念、分类以及尘埃等离子体的研究进展和研究方法等。第二章主要介绍了尘埃等离子体空洞的概念,尘埃粒子的受力情况,以及前人所做的与尘埃尘埃空洞形成有关的理论工作和实验工作。第叁章首先在一维柱坐标系下,在轴对称的假设下建立了系统包含两种不同尺寸尘埃粒子的不稳定性非线性演化的近似模型,继而给出了数值模拟方法,得到了相应的数值结果,用得到的数值结果分析了尘埃空洞形成的机制。
吴静, 张鹏云, 宋巧丽, 张家良, 王德真[4]2005年在《反应等离子体中尘埃空洞形成的实验研究》文中指出利用气体合成(乙烯和硅烷,氩气是载气)的方法,产生尘埃粒子,并在此基础上研究了悬浮在射频等离子体鞘层上方的尘埃云及尘埃空洞.实验结果给出了尘埃云和尘埃空洞与射频功率和气压等参数的关系曲线.
李玉洁[5]2013年在《射频等离子体中尘埃空洞演化研究》文中认为关于尘埃结晶以及等离子鞘层中的尘埃颗粒的实验工作近几年引发很多的研究热潮。例如有关等离子体鞘层中大量存在的尘埃颗粒的控制实验提供了探索迄今不能达到的时空尺度的方法,改进和突破了传统探针技术。尘埃等离子体在等离子体环境下的半导体加工及微电子工业生产有着重要影响,一方面在放电过程中生成的尘埃颗粒对基片产生污染,另一方面控制尘埃颗粒的形成及运动也是在材料合成及表面改性方面的又一种可行方法。本文中讨论的尘埃颗粒是在实验过程中直接产生的,所用的实验气体是乙烯硅烷和氩气,其中氩气是载气。硅烷和乙烯发生反应产生碳化硅尘埃颗粒,在射频等离子体中形成尘埃云及尘埃空洞。由于尘埃颗粒的形成对等离子体加工过程会形成很大影响,因此讨论等离子体中尘埃颗粒的运动及形态变化具有重要意义。我们通过观察尘埃云及尘埃空洞的变化进行实验讨论和研究：首先从尘埃云体积随气压射频功率的改变出发,讨论尘埃云的直径随气压和功率的改变以及尘埃空洞直径和深度受不同物理参数的影响；然后记录尘埃空洞随时间的周期震荡现象,得到尘埃空洞震荡周期在不同气压和射频功率参数下的变化曲线,进而分析尘埃空洞的基本性质；由于尘埃颗粒在放电过程中不断地消耗与产生,因此对单个尘埃颗粒的跟踪比较困难,经过多次实验操作,得到单个尘埃颗粒一段时间内的运动轨迹,通过跟踪记录尘埃颗粒随时间的运动轨迹,初步推断出尘埃颗粒所受外力。我们结合尘埃颗粒以及尘埃空洞的动力学规律,推测出射频等离子体中尘埃空洞的特殊性质及形成原因。
李玉洁, 张鹏云, 杜玉翠[6]2012年在《射频等离子体中尘埃空洞演化研究》文中进行了进一步梳理本文利用实验过程中直接产生尘埃粒子的方法,实验气体是乙烯和硅烷,氩气是载气。在射频等离子体鞘层内形成尘埃云及尘埃空洞。通过观察尘埃云体积的变化及尘埃空洞随时间的周期振荡现象,分析尘埃空洞的基本性质,通过记录尘埃颗粒随时间的运动轨迹,初步推断出尘埃颗粒的受力情况,结合尘埃颗粒和尘埃空洞的运动规律,得出射频等离子体中尘埃空洞的特性及形成原因。
吴静[7]2008年在《射频SiH_4/C_2H_4/Ar放电产生尘埃等离子体及其诊断研究》文中认为本文在射频容性耦合等离子体放电基础上,采用实验观测,探针和光谱诊断等研究方法,对尘埃等离子体进行了多方面的研究。本文工作主要包括以下一些内容:第一章介绍了尘埃等离子体的定义和基本特性,列举了尘埃等离子体研究中的一些特殊现象,介绍了尘埃等离子体的常用实验诊断方法。在最后,给出了本文研究的背景和意义,以及研究内容介绍。第二章内容主要包括实验装置建立和诊断手段详细介绍。在实验中搭建了一个产生微纳米尘埃颗粒的射频尘埃等离子体装置及实验诊断系统。与其它尘埃等离子体装置相比,本实验装置建立在等离子体中化学气体硅烷和乙烯合成尘埃颗粒的基础上,尘埃颗粒产生过程跟实际生产过程比较接近;观察窗和周围圆筒采用透明石英玻璃设计,有利于从放电室上方和侧面对尘埃颗粒进行拍照研究;利用朗谬尔探针和发射光谱仪对尘埃等离子体基本参数和放电产物进行实验诊断,有助于获得尘埃等离子体放电参数以及了解尘埃等离子体特性。第叁章内容包括尘埃颗粒成分、结构的检测和尘埃空洞演化特性的研究两方面内容。一.利用扫描电子显微镜、能量散射谱和X射线衍射谱对所生成的尘埃颗粒的表面形貌、成分、结构进行了检测,发现尘埃颗粒呈聚集状态,单个尘埃颗粒直径在几百纳米,主要组成为碳、硅和氧元素。尘埃颗粒生成物中有C—Si键的形成,并带有氧原子等的掺杂。二.采用CCD相机从放电室上方和侧面拍照研究的方法,对尘埃空洞随射频功率和气压演化特性进行了研究。发现在本实验条件下,约束环(孔)所产生的电场力和离子拖拽力之间的平衡是尘埃空洞形成关键因素,射频功率和气压影响尘埃空洞几何尺寸的演化。第四章中,对尘埃等离子体进行了诊断。利用朗谬尔探针和发射光谱仪,重点对尘埃等离子体参数以及放电产物进行了系统的诊断。主要内容包括:一.采用朗谬尔探针,对尘埃等离子体中电子密度、电子温度等主要参数进行了测量,并在测量基础上,结合尘埃等离子体鞘层模型和轨道限制理论,求解了尘埃颗粒平均带电量和尘埃颗粒密度等参数。发现了尘埃等离子体中的一些物理现象,例如尘埃颗粒的出现导致等离子体中电子密度降低和电子温度升高等现象。二.采用发射光谱仪,对尘埃等离子体中的放电产物进行了诊断,给出了一些放电产物的光发射强度随实验条件(射频功率、气压、流量)的变化情况。利用斜率法计算了氩的激发温度,给出了激发温度随实验条件的变化规律,讨论了激发温度与电子温度的区别和联系。第五章采用尘埃等离子体鞘层模型,对尘埃颗粒与鞘层相互作用进行了数值模拟研究,得到了等离子体鞘层势、离子密度和电子密度的分布,尘埃颗粒存在情况下的玻姆判据,尘埃颗粒的带电量和密度之间的关系等。
张宇[8]2005年在《尘埃等离子体的数值模拟研究》文中指出尘埃等离子体是一种包含带电尘埃颗粒的电离气体,一般由电子、离子和带电尘埃颗粒组成,它广泛存在于星际空间、电离层以及等离子体辅助加工设备中.本文针对实验室中尘埃等离子体的研究集中的两个方面:在等离子体材料加工工业中尘埃污染的清除以及尘埃等离子体在基本物理理论中的应用,分别通过数值模拟的方法对尘埃等离子体作了理论研究。本文首先提出了除尘的方法。针对柱状等离子体发生器系统,在理论上提出了一种利用E×B力清除尘埃的方法,并采用叁流体模型,模拟了电子、离子及尘埃在电磁场的作用下的运动模式,数值模拟的印证了所提出的除尘方法。接下来,研究了一维及两维鞘层的性质。在实验室中尘埃晶格实验中尘埃粒子一般被束缚在柱槽状电极鞘层中,鞘层的性质影响并决定尘埃的运动。针对一维鞘层,用流体的方法模型并研究了其性质,并且把模型推广到二维情形,即柱槽状电极情况,得到了束缚尘埃的鞘层的性质,为后来的研究作了铺垫。在此基础上,对尘埃粒子建立了分子动力学模型研究了尘埃晶格。由于得到了束缚电极鞘层的情况,考虑了尘埃粒子数相对较少的时候,尘埃粒子对电极鞘层影响较小,故假设尘埃粒子不影响鞘层性质。通过考虑每个尘埃粒子的重力、充电过程、所受离子拖拽力及尾流作用,建立了描述尘埃运动的分子动力学方程,模拟了尘埃晶格,并对影响尘埃晶格的性质作了一定的讨论。最后对尘埃空洞实验[R.P.Dahiya et al.,Phys.Rev.Lett.89,125001(2002) ]作了模拟,并且讨论了实验室中尘埃空洞的形成原因,得到结论为由于圆柱形柱槽状电极在底部中心部分会形成一个微弱的势阱,此势阱排斥尘埃粒子形成空洞。
邹秀[9]2005年在《低温等离子体磁鞘特性的研究》文中研究指明等离子体鞘层在等离子体材料表面改性、合成薄膜及刻蚀等工艺中发挥着积极的作用,研究鞘层的特性对控制等离子体鞘层环境、促进等离子体工艺技术的发展具有重要的意义。在等离子体鞘层的研究工作中存在以下几个问题:1、 磁场的影响是不可忽略的,然而磁场的引入又会使问题更加复杂。目前对等离子体磁鞘的研究工作开展得还很不充分,鞘层中直接影响等离子体薄膜沉积和刻蚀质量的特性参数,如鞘层内的电场、离子密度和电子密度等,以及磁场对这些参数的影响都没有得到详尽地说明与讨论。2、等离子体鞘层中常常出现负离子,研究负离子对磁鞘结构的影响也具有重要的意义。3、高频放电或微波放电的等离子体应用比直流放电更广泛,而射频鞘层的特性以及电子、离子在其中的行为又在很大程度上决定着发生在材料表面的物理、化学过程,直接影响产品的质量,然而至今研究射频等离子体磁鞘的工作却不多。4、 尘埃粒子广泛存在于宇宙空间、实验室等离子体装置以及材料的等离子体处理环境中。尘埃粒子的存在显着地改变等离子体鞘层的性质,直接污染加工材料。了解和控制尘埃在等离子体磁鞘中的运动,有利于利用和消除尘埃,有助于解决利用外磁场实现控制工艺的一些问题。针对以上问题,我们建立一个一维坐标空间叁维速度空间的斜磁场作用下的等离子体鞘层物理模型。用流体方法数值模拟了电子离子磁鞘和电负性磁鞘的结构,分析了鞘层的特性和磁场的影响。然后将等离子体直流磁鞘的研究工作扩展到应用广泛的等离子体射频磁鞘,分析了射频等离子体鞘层内特征参数的变化和基板上的离子能量分布,研究了磁场对射频鞘层的影响。最后分别使用磁流体描述方法和单粒子描述方法,研究斜磁场作用下等离子体鞘层中的尘埃特性,讨论磁场对尘埃等离子体鞘层结构的影响,对尘埃粒子的运动状态及平衡位置的影响,以及对尘埃晶格的影响。研究结果表明:磁场洛仑兹力的作用的确改变了带电粒子(这里主要研究的是离子和尘埃)的运动状态,使其偏离了初始方向。根据我们采用的数据,弱磁场时,离子处于弱磁化状态;强磁场时,离子被磁化;极强磁场时,尘埃会部分磁化。对于只有x轴方向初始速度的离子,由于非恒定大小的电场力的作用以及鞘层厚度的限制,密度分布没有产生规则性的振荡,只是短暂的上升后就一直下降,磁场z轴分量的大小是使鞘层结构发生变化的主要原因;对于初始速度具有平行基板方向分量的离子,适当的条件下离子会产生暂时的聚集,密度增大,分布曲线产生周期性的振荡。正离子的密度分布变化通过泊松方程作用于电子和负离子,使电子和负离子的密度分布也产生变化,对磁场产生间接的反映。由于粒子间的相互作用,负离子的存在影响了正离子的密度分布。无低温等离子体磁鞘特性的研究磁场时,射频鞘层的电势随时间呈周期性的余弦变化,鞘层内电子响应瞬时外加射频场。当外加射频频率远大于离子等离子体频率,离子响应平均场,离子的密度分布几乎不随时间变化;当外加的射频频率远小于离子等离子体频率,离子密度分布响应瞬时外加射频场,呈明显的周期性振荡。有磁场的时候,在鞘层内靠近基板的区域,离子密度分布是否瞬时响应射频场仍由频率比值的高低来决定;在鞘层内靠近等离子体部分的区域,由于磁场的影响,离子密度分布的变化与我们在研究电子离子磁鞘时得到的结果相似。打到基板上的离子的偏移角具有周期性的变化,并且随着磁场平行基板方向分童的增大而增大。磁鞘中的尘埃粒子在洛仑兹力的作用下,密度分布也产生变化,随着磁场平行基板分量值增大,尘埃在磁鞘中的悬浮位置将远离基板。尘埃晶格结构的决定因素是系统能量,能量越低系统越稳定。垂直磁场的作用不改变尘埃晶格的结构,它使晶格整体旋转了一个角度。尘埃晶格没有真正地旋转起来的原因可能是模型中没有考虑离子拖拽力的影响。关键词:等离子体;磁鞘;射频;尘埃;晶格
甘宝霞[10]2008年在《电负性尘埃等离子体中尘埃颗粒的振荡、晶格波和稳态尘埃空洞》文中指出尘埃等离子体又称“复杂等离子体”,通常等离子体是由电子、离子和中性粒子组成,而尘埃等离子体除了上述的气体成分之外,还包含固体微粒。尘埃等离子体广泛存在于星际空间、行星环、慧尾、电离层以及地球上各种气体放电实验中,它具有许多新的特点,系统开放性、充电的变化、自组织及形成有序结构等,尘埃等离子体已经成为非常吸引人的研究领域。当等离子体中产生或投入大量尘埃颗粒时,由于电子的迁移速率远大于离子,到达尘埃表面的电子电流远大于离子电流,使得尘埃颗粒表面带有负电荷,等离子体中电子成分迅速减小,负离子的作用会凸现出来。负离子会影响尘埃颗粒的充电,从而影响尘埃颗粒表面的电势,而尘埃颗粒带电是尘埃等离子体与其它多离子成分等离子体的重要区别,因此研究负离子对尘埃等离子体的影响对于深入理解尘埃等离子体的性质有重要作用。尘埃等离子体中含有负离子称为电负性尘埃等离子体。本论文主要研究电负性尘埃等离子体中负离子含量对尘埃颗粒的振荡、尘埃晶格波和稳态尘埃空洞的影响。另外我们也研究了外加非均匀磁场对尘埃颗粒的振荡、晶格波的影响,这可能为尘埃等离子体的诊断提供一种新的方法。在第一章中,简要介绍尘埃等离子体的存在、特点、研究方法和研究进展。在研究进展中主要介绍了与本文研究方向一致的尘埃晶格波和尘埃空洞的研究情况。在第二章中,建立含负离子的一维射频碰撞鞘模型,研究鞘层的性质,自恰地解出鞘层电压和厚度随时间变化的规律,鞘层中电场电势的分布以及鞘层中各种粒子的密度及速度分布,研究了碰撞强度和负离子含量对鞘层结构的影响。研究结果表明,碰撞强度增大和负离子含量增加均会使鞘层极板电压增大,而使鞘层厚度减小,同时会使正离子的数密度增加而速率降低,并对结果作出了解释。在第叁章中,在上一章鞘层模型的基础上,研究单个尘埃颗粒在含负离子的一维射频碰撞鞘中的运动,包括尘埃颗粒的充电、受力以及在鞘层中的振荡行为,尤其研究了各种作用力、负离子含量以及外加磁场对振荡行为的贡献。研究结果表明,中性粒子对振荡起阻尼作用,磁场对振荡频率的影响取决于具体的磁场构形和尘埃的平衡位置,负离子会降低尘埃颗粒的振荡频率,而振荡频率取决于颗粒的受力行为,因此负离子降低尘埃颗粒的振荡频率是源于负离子对于各种作用力的影响。在第四章中采用固体物理中研究晶格波的方法,对尘埃晶格波进行研究,包括一维链状晶格中传播的纵波、横波以及二维六角晶格中传播的横波。数值结果验证了近邻近似的正确性,也就是研究尘埃颗粒的相互作用时,只需考虑相邻颗粒之间的相互作用。采用了叁种不同的电相互作用势模型,即屏蔽库仑势、Tsytovich及Wang模型对尘埃晶格波的色散关系进行比较。同时也研究尘埃间距、磁场强度和负离子含量对尘埃晶格波色散关系的影响。对于横波来说,加入吸引势会增加波的稳定性,而增大尘埃间距和增加负离子含量同样也会增加波的稳定性。但是对于纵波来说,以上的结果与横波是相反的。在第五章中对尘埃空洞的稳态结构进行研究。首先建立了电负性的一维稳态空洞的流体模型,负离子的存在会改变空洞内外区的Poisson方程以及空洞边界的充电方程的形式。数值研究了电离率和负离子含量对稳态空洞的影响。研究结果表明电离率的增加和负离子含量的增加均能使空洞边界减小,空洞内部的电场强度增加,马赫数增加。
参考文献：
[1]. 射频等离子体中尘埃粒子和尘埃空洞的实验研究[D]. 宋巧丽. 大连理工大学. 2004
[2]. 射频鞘层中尘埃粒子的运动过程及尘埃晶格形成机理的研究[D]. 侯璐景. 大连理工大学. 2005
[3]. 尘埃等离子体中有两种尘埃粒子时的空洞形成[D]. 宋岩. 大连理工大学. 2008
[4]. 反应等离子体中尘埃空洞形成的实验研究[J]. 吴静, 张鹏云, 宋巧丽, 张家良, 王德真. 物理学报. 2005
[5]. 射频等离子体中尘埃空洞演化研究[D]. 李玉洁. 大连理工大学. 2013
[6]. 射频等离子体中尘埃空洞演化研究[J]. 李玉洁, 张鹏云, 杜玉翠. 真空. 2012
[7]. 射频SiH_4/C_2H_4/Ar放电产生尘埃等离子体及其诊断研究[D]. 吴静. 大连理工大学. 2008
[8]. 尘埃等离子体的数值模拟研究[D]. 张宇. 大连理工大学. 2005
[9]. 低温等离子体磁鞘特性的研究[D]. 邹秀. 大连理工大学. 2005
[10]. 电负性尘埃等离子体中尘埃颗粒的振荡、晶格波和稳态尘埃空洞[D]. 甘宝霞. 中国科学技术大学. 2008