1、 2 0 2 3年河北大学学报(自然科学版)2 0 2 3第4 3卷 第2期J o u r n a l o f H e b e i U n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n)V o l.4 3 N o.2D O I:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 0 1 5 6 5.2 0 2 3.0 2.0 0 4不对称电极上尘埃等离子体颗粒分布张顺欣,王硕,张宁,蔡雅文,贺亚峰(河北大学 物理科学与技术学院,河北 保定 0 7 1 0 0 2)摘 要:针对不对称电极射频(r a d i o f r e
2、 q u e n c y,R F)辉光放电,通过构建二维尘埃等离子体鞘层模型,研究了不对称电极附近鞘层电势和电子密度等参量分布,并对鞘层中的颗粒进行受力分析,研究了尘埃颗粒在鞘层中的分布特征.结果表明:不对称电极鞘层附近电势具有棘轮势特点,颗粒受鞘层电场约束悬浮在鞘层内,其所在平衡位置处的电势呈现不对称周期性变化.通过对比不同大小的颗粒,发现小颗粒悬浮在鞘层较高位置成链状分布,大颗粒的平衡高度靠近极板,被“钉”到不对称电极产生的势阱中.关键词:尘埃等离子体;颗粒分布;不对称性中图分类号:O 4 5 3 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 0 1 5 6 5(2 0 2 3)0 2 0 1 3
3、 3 0 6D i s t r i b u t i o n o f d u s t y p l a s m a p a r t i c l e s o n a n a s y mm e t r i c a l e l e c t r o d eZ H A N G S h u n x i n,WA N G S h u o,Z H A N G N i n g,C A I Y a w e n,H E Y a f e n g(C o l l e g e o f P h y s i c s S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,H e b e i U n i v
4、 e r s i t y,B a o d i n g 0 7 1 0 0 2,C h i n a)A b s t r a c t:F o r R F(r a d i o f r e q u e n c y,R F)g l o w d i s c h a r g e w i t h a s y mm e t r i c e l e c t r o d e,t h e d i s t r i b u t i o n s o f p a r a m e t e r s s u c h a s t h e s h e a t h p o t e n t i a l a n d t h e e l e
5、c t r o n d e n s i t y n e a r t h e a s y mm e t r i c a l e l e c t r o d e a r e s t u d i e d b y u s i n g a t w o-d i m e n s i o n a l d u s t y p l a s m a s h e a t h m o d e l,a n d t h e f o r c e s a c t i n g o n d u s t p a r t i c l e s i n t h e s h e a t h a r e a n a l y z e d t o
6、 s t u d y t h e d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f d u s t p a r t i c l e s i n t h e s h e a t h.R e s u l t s s h o w t h a t t h e p o t e n t i a l n e a r t h e s h e a t h o f t h e e l e c t r o d e h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f r a t c h e t p o t e n
7、 t i a l.T h e d u s t p a r t i c l e s a r e s u s p e n d e d i n t h e s h e a t h b y t h e e l e c t r i c f i e l d o f t h e s h e a t h,a n d t h e p o t e n t i a l a t t h e b a l a n c e p o s i t i o n o f d u s t p a r t i c l e s e x h i b i t s a s y mm e t r i c a l a n d p e r i o
8、d i c a l c h a n g e.B y c o m p a r i n g t h e r e s u l t s w i t h d i f f e r e n t s i z e s o f p a r t i c l e s,i t i s f o u n d t h a t t h e s m a l l d u s t p a r t i c l e s a r e s u s p e n d e d a t t h e h i g h e r p o s i t i o n i n t h e s h e a t h t o f o r m a c h a i n,h
9、o w e v e r,t h e l a r g e d u s t p a r t i c l e s a r e c l o s e t o t h e e l e c t r o d e a n d a r e p i n n e d t o t h e p o t e n t i a l w e l l g e n e r a t e d b y t h e a s y mm e t r i c e l e c t r o d e.K e y w o r d s:d u s t y p l a s m a;p a r t i c l e d i s t r i b u t i o n
10、;a s y mm e t r y尘埃等离子体是指由电子、离子、中性气体原子和带电的尘埃颗粒组成的混合体系1-4.由于电子比离子有更大的迁移率,浸入等离子体中的尘埃颗粒被快速充电至数千到上万个负电荷.在大多数射频辉光放电中,尘埃颗粒通常悬浮在下电极鞘层的边界附近5-7,其动力学过程与鞘层密切相关.鞘层是指等离子体与容器壁或电极之间形成的非电中性区域8-9,鞘层中电势与电场强度沿鞘层空间非线性的快速变化,重离子在鞘层中得以加速,可对基板等形成刻蚀1 0.等离子体鞘层独特的属性使其在许多领域备受关注.收稿日期:2 0 2 1 1 1 1 9 基金项目:国家自然科学基金资助项目(1 1 9 7 5
11、0 8 9;1 2 2 7 5 0 6 4);河北省自然科学基金资助项目(A 2 0 2 1 2 0 1 0 0 3)第一作者:张顺欣(1 9 9 8),女,河北唐山人,河北大学在读硕士研究生,主要从事尘埃等离子体方向研究.E-m a i l:8 9 5 7 0 0 4 1 5q q.c o m 通信作者:贺亚峰(1 9 7 8),男,河北阳原人,河北大学教授,主要从事尘埃等离子体方向研究.E-m a i l:h e y f h b u.e d u.c n 人们研究的多数都是理想的平板电极鞘层中的尘埃颗粒动力学,而在许多实际的问题中,遇到更多的是不规则电极鞘层中颗粒的动力学问题.例如,在工业领
12、域,利用射频驱动的大气压H e/N2/C F4等离子体射流进行硅的局部各向异性刻蚀1 1-1 2,在刻蚀时会有部分尘埃颗粒的产生,少部分尘埃颗粒会悬浮堆积在不规则沟槽的鞘层附近,这些颗粒将严重影响产品的良品率.如何去除这些尘埃颗粒首先需要了解不规则结构鞘层中颗粒的动力学过程.在基础研究中,还特意利用不规则的锯齿形侧壁结构来操控颗粒的定向运动1 3-1 4,其中侧壁介质形成不规则棘轮状鞘层电势分布,对颗粒的定向运动具有重要作用.这种不规则鞘层中尘埃颗粒的空间分布及其动力学还有待深入研究.本文通过建模并数值模拟研究不对称电极上鞘层分布特性,并利用分子动力学研究这种不对称电极上尘埃颗粒的分布.研究结
13、果对了解半导体工业中基板上悬浮的颗粒特性以及基础研究中不对称环境中颗粒的非平衡定向输运具有重要意义.1 等离子体模型首先利用C OM S O L软件构建不对称电极射频辉光放电结构模型,如图1所示.密闭真空室的尺寸为2 4 0 mm6 0 mm1 0 0 mm,下电极为锯齿形不锈钢板,每个锯齿尺寸为宽1 0 mm,高5 mm的直角三角形,共1 8个锯齿.锯齿结构具有不对称性.不对称电极接1 3.5 6 MH z射频电源与匹配器,上极板接地,其余部分为玻璃壁.在真空室内充满氩气,气体压强为3 0 P a,气体温度取G E C(g a s e o u s e l e c t r o n i c s
14、c o n f e r e n c e,G E C)标准模型中常用的2 9 3.1 5 K(温度对本文结果影响非常小),偏压-1 2 0 V,幅值1 5 0 V.本模型主要考虑的粒子有 4 种:电子e、氩原子A r、氩正离子 A r+以及氩亚稳态A r*.采用的模拟参数为:电子初始密度51 01 4 m-3,初始平均电子能量4 e V,初始电势0 V.计算时间为1 0 0 0个射频周期,系统已达到稳态.由于锯齿电极呈三角形特征,在模拟区域全部采用三角网格.在靠近锯齿尖区域网格最小,最小网格为4.8 m,其他区域的网格大小按照等比数列的形式逐渐增长,在达到5 0 m后保持不变,总网格数约41 0
15、4个.不对称电极为金属接触,不对称电极两侧采用介电接触,2个侧壁及上极板接地.利用该模型可以得到电子密度和电势等等离子体参量,为进一步计算尘埃颗粒带电量以及分析其在鞘层内的动力学过程提供数据.a.电子密度分布;b.电势等值线分布;c.b中不对称电极表面7 51 0 5 mm部分电势分布的局部放大图1 不对称电极射频等离子体放电模型F i g.1 R F p l a s m a d i s c h a r g e m o d e l w i t h a s y mm e t r i c a l e l e c t r o d e图1 a给出了等离子体电子密度在1个射频周期内平均后的空间分布.由图
16、1 a可见,在真空室上下电极间形成均匀的等离子体,中心处的电子密度ne1.21 01 6m-3,下极板上表面形成一薄鞘层区域.由于锯齿形下极板具有不对称性,因此等离子体密度分布在下极板上锯齿左右部分略有差异.图1 b为稳态后的等势线时间平均后的空间分布,下极板表面鞘层中形成较大的电势梯度,鞘层电场将平衡尘埃颗粒重力使其悬浮在极板鞘层边界附近.图1 c为不对称电极表面电势分布的局部放大图,由图1 c可见,靠近不对称电极的等431河北大学学报(自然科学版)第4 3卷第2期张顺欣等:不对称电极上尘埃等离子体颗粒分布势线表现出明显的不对称弯曲,但是整体上等势线仍处于较光滑状态,从极板往上逐渐趋于平缓,电势逐渐增大由负变正.2 尘埃颗粒充电通过上述模型可以得到等离子体参量的空间分布.进一步考虑尘埃颗粒进入等离子体环境后的带电情况.尘埃颗粒由于收集等离子体电子和离子而携带电荷,当电子电流和离子电流相等时,尘埃颗粒电荷Q达到稳态,因此有 dQdt=Ii+Ie=0,(1)其中,Ii和Ie分别为离子与电子电流.对于悬浮在鞘层边界附近的颗粒,其所带电性为负电性,因此,离子电流和电子电流可以由OML理论给出