氢气感性耦合等离子体模式跳变的流体模拟

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1、氢气感性耦合等离子体模式跳变的流体模拟氢气感性耦合等离子体模式跳变的流体模拟#徐会静，张钰如，王友年**510152025303540（大连理工大学物理与光电工程学院，大连116023）摘要：本文采用流体模型与电磁理论相耦合的方法，研究了平面线圈感性耦合氢气等离子体放电的模式转换特性。通过调节线圈电流，我们观察到了等离子体的E-H模式转换现象，并且详细观察了容性电场、感性电场以及等离子体各参数（温度、密度和沉积功率）随着模式转换的演化情况。研究发现：随着线圈电流的增大，放电由容性耦合模式主导转变为感性耦合模式主导，等离子体密度和吸收功率先缓慢增加后迅速增加。

2、关键词：感性耦合等离子体；模式跳变；流体模拟中图分类号：O53FluidsimulationoftheE-HmodetransitioninhydrogeninductivelycoupledplasmasXUHuijing,ZHANGYuru,WANGYounianSchoolofPhysics,DalianUniversityofTechnology,Dalian116023Abstract:Atwo-dimensionalself-consistentfluidmodelcombinedwiththeelectromagnetictheoryisdevel

3、opedtoinvestigatetheE-Hmodetransitioninhydrogeninductivelycoupledplasmas.Astheradio-frequencycurrentinthecoilincreases,theE-Hmodetransitionisobservedandtheelectromagneticfieldsandplasmaparameterstemperature,density,anddepositedpowerexhibitdifferentdistributions.Theresultsshowthatasth

4、eradio-frequencycurrentincreases,thedischargetransfersfromEmodedominatedtoHmodedominatedandtheplasmadensityfirstincreasesslightlyandthenincreasesrapidly.Keywords:inductivelycoupledplasmas;modetransition;fluidsimulation0引言感性耦合等离子体具有等离子体密度高，放电气压低，装置简单，均匀性好，以及等离子体密度与入射到基片上的离子能量可以独立控制等优点

5、[1-3]，因此在工业上得到了广泛应用。众所周知，ICP源具有两种放电模式，E模式和H模式，随着外界输入参数的变化，会发生明显的模式跳变[4-5]，从而引起等离子体特性发生突变。许多理论与实验都对E-H模式转换进行了研究。Kortshagen等人[6]计算了放电维持在稳定的H模式需要的最小线圈电流阈值。Long等人[7]详细研究了氩和汞的混合气体ICP内模式跳变行为随频率的演化情况，结果显示：放电模式转换时的线圈电流阈值随着频率升高而降低。Cunge等人[8]基于平衡方程以及功率吸收与功率消耗之间的非线性关系，研究了模式转换机制与回滞现象。Kang等人[9]研究

6、了内置柱状线圈ICP源的IEDF随放电模式转化的演化规律，发现IEDF在E模式下呈现双峰结构，在H模式下则为单峰结构。Seo等人[10]采用补偿朗缪尔探针等实验诊断系统，证实了电势突然降低是模式转换的一个重要指示之一。Daltrini等人[11]和Ding等人[12]研究了基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20090041110026）作者简介：徐会静（1989-）,女，博士研究生，低温等离子体物理通信联系人：王友年（1958-），男，教授，低温等离子体;离子束及电磁波与物质相互作用.E-mail:ynwang@0>.-1-阻抗对匹配网络的影响。Chu

7、ng[13]和Singh等人[14]研究了模式跳变过程中电子能量分布函数的测量以及特性。虽然关于模式转换的理论与实验研究很多，但是大部分研究都是氩气等惰性气体放电。在真正的等离子体工业应用中，分子气体更加普遍，因此研究分子气体放电对材料科学领域45具有重要的意义。本文采用二维流体力学模型研究了平面线圈感性耦合H2等离子体放电过程中的模式转换特性，观察并讨论了等离子体密度、电子温度以及容性电场、感性电场的空间分布随放电参数的变化规律。1理论模型1.1射频电磁场的空间分布IIIIIzIah3h2h1oa10cmh110cmh211cmh314cmr

8、50图1ICP源模拟装置