【摘 要】
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电负性气体被广泛应用在等离子体刻蚀及基础物理研究等领域,不同负离子的加入不仅造成电负性差异,同时等离子体的平衡结构和输运性质也变得非常复杂。本文基于COMSOL Multiphysics仿真软件模拟射频感性耦合Ar/SF6混合气体放电的空间分布特征属性,不仅可以借助等离子体化学模型来分析粒子的产生机制,还可以直观展示等离子体各参量的时空分布图,结合近似解析理论模型便于理解电负性等离子体的粒子输运方
【基金项目】
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大连理工大学基本科研业务费项目之理科基础科研专题（编号:DUT19LK59）；
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电负性气体被广泛应用在等离子体刻蚀及基础物理研究等领域,不同负离子的加入不仅造成电负性差异,同时等离子体的平衡结构和输运性质也变得非常复杂。本文基于COMSOL Multiphysics仿真软件模拟射频感性耦合Ar/SF6混合气体放电的空间分布特征属性,不仅可以借助等离子体化学模型来分析粒子的产生机制,还可以直观展示等离子体各参量的时空分布图,结合近似解析理论模型便于理解电负性等离子体的粒子输运方式。在气压为10 m Torr,放电功率为300 W,SF6气体含量为10%的初始放电条件下,通过电离和附着碰撞截面来分析放电腔室中主要的正负离子,与模型结果一致,验证模型的准确性;验证了高电负性等离子体放电的空间分布特征是分层结构,由电负性核心、电正性区域和鞘层组成。分层结构的原因是与离子相比,电子扩散速度较快,电子和正离子形成的双极性电场将负离子约束在放电腔室中心区域,不会在器壁上损失。在腔室器壁附近会出现由正离子和电子主导的电正性区域及鞘层。在腔室中心区域,电子满足玻尔兹曼关系,电子的空间分布比较平坦。在低气压条件下,粒子的输运过程以电子碰撞电离过程为主的正源项起主导作用,复合过程的负源项影响可以忽略,电子和负离子满足玻尔兹曼平衡关系,结合抛物近似方法,定性解释在电负性核心区域离子的轴向空间分布是抛物形。离子的径向分布则是趋于平顶形轮廓,但在线圈下方出现局域现象。随着气压升高,当负离子不再满足玻尔兹曼平衡关系,但电子密度的空间变化可以忽略时,利用椭圆近似方法,发现存在一个电负性过渡区域,离子的空间分布轮廓与抛物近似类似。随着气压继续升高,电子密度的空间变化也不可忽略时,离子的轴向分布由抛物形向椭圆形,进而向平缓上升的平顶形转变,电正性区域逐渐减小,局域现象也更加明显。粒子空间分布的局域现象主要是由于负源项逐渐占据主导作用,在高气压下,正负离子主要产生在线圈下方区域,从而导致局域位置向线圈附近移动,电正性区域减小。与电正性等离子体相比,在电负性核心区域粒子的输运方式是以正负离子为主导,而不再是电子。
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