直流氩气辉光放电的PIC/MCC模拟分析

辉光放电在微电子工业中的应用越来越广泛。为了研究直流辉光放电稳态等离子体的特性,采用粒子网格方法(PIC法)与Monte Carlo碰撞模型(MCC方法)相结合的方法(PIC/MCC方法)跟踪了带电粒子的运动过程,同时充分考虑了电子与中性粒子的弹性、电离碰撞,离子与中性粒子的弹性和电荷交换碰撞,模拟结果得到了直流辉光电离过程达到稳态后的电子离子的相空间分布,得到了放电过程中带电粒子的速度、能量的空间变化,同时对粒子进行统计平均,得到了空间中的电势和电场强度分布,模拟结果与实验和理论相符,对实验有一定的指导意义。     

氟化乙丙烯共聚物薄膜驻极体电荷存储性能与电晕产生模式相关性

采用在直流稳态、高频脉冲和交变电场作用下的电晕放电对氟化乙丙烯共聚物(FEP)薄膜材料进行注极,通过等温表面电位测量和热刺激放电技术考察了FEP驻极体的电荷存储特性,依据电晕放电等离子体鞘层模型对实验结果进行了分析,研究了电晕产生模式对FEP薄膜驻极体电荷存储性能的影响。结果表明,电晕注极FEP薄膜驻极体的表面电位稳定性与电晕产生模式、电晕极性有关,但是电荷存储机制只与电晕极性有关。脉冲电晕注极时的稳定性优于稳态电晕注极,但其初始表面电位值较低。交变电场电晕注极获得的驻极体,呈现负极性。不同电晕放电模式在材料表面形成的等离子体鞘层的组成和厚度不同,是FEP驻极体性质不同的主要原因。     

真空开关电弧电子温度诊断的实验研究

金属蒸气等离子体是真空开关电弧的基本状态,为了实现对其等离子体电子温度诊断,提高真空开关的工作性能,本文提出了基于光学方法真空开关电弧电子温度诊断技术,阐述了二比色测温的基本原理,建立了真空开关电弧实验装置及相应的CCD光学图像采集系统。利用该实验系统得到了不同波长下的电弧图像,运用MATLAB经过图像处理得到真空电弧的灰度等值曲线,形象地表达了温度场的分布;通过计算得到了电子温度在不同电流下沿着径向的分布。试验结果表明:(1)在电弧电流为8.91kA时,电子温度最高可达3.42eV;(2)电子温度沿着径向不断的降低。     

交流与直流真空电弧等离子体特性比较分析

应用COMSOL多物理场仿真软件,基于电磁学与流体动力学理论建立真空电弧等离子体的流体—化学混合模型,数值模拟真空断路器灭弧室中交流与直流真空电弧放电过程。考虑粒子的经典扩散、漂移、碰撞、电离、激发的影响,研究纵向磁场作用下交流与直流电弧等离子体参数的分布。仿真结果表明:电弧放电过程中,交、直流真空电弧燃弧特性即存在相似性也存在明显不同;纵向磁场直接影响交流与直流真空电弧的发展及电弧微观粒子(电子与离子等)的密度与温度等的空间分布。如相同电流激励下,交流电弧与直流电弧等离子体参数分布相似;由于交流电弧能量下降更快,相比直流电弧其更容易被开断;纵向磁场的作用会减小阳极触头表面的电子温度,削弱阴极表面的离子速度,减少真空电弧金属蒸气的电离率。     

基于多孔阳极氧化铝的大气压毛细管等离子体电极放电研究北大核心CSCD

通过实验和模拟方式,对比分析了介质阻挡放电和基于多孔阳极氧化铝的毛细管等离子体电极放电。应用阳极氧化法制备的多孔阳极氧化铝(Porous anodic alumina,PAA)作为介质层进行了毛细管等离子体电极放电。研究了多孔阳极氧化铝介质层对毛细管等离子体电极放电的影响,对比分析了相同几何参量的介质阻挡放电和毛细管等离子体电极放电的放电过程。结果表明:应用多孔阳极氧化铝介质的毛细管等离子体电极放电更稳定,放电中产生的更密的微放电有助于提高放电的稳定性;多孔阳极氧化铝介质层的毛细管等离子体电极放电具有相对于介质阻挡放电高出两个数量级的电子密度和更高的电子温度。等离子体参数具有与多孔阳极氧化铝的孔分布同步的周期性,产生了等离子体射流模式,提高了放电稳定性。     

介质材料在电子辐射环境中的放电特性

航天器表面介质材料在空间等离子体环境下会产生放电现象,放电诱发的瞬态脉冲会对航天器在轨安全运行产生较大的影响。通过对不同厚度的聚酰亚胺和聚四氟乙烯材料进行电子辐照,对放电诱发的瞬态脉冲进行测量,结果表明:随着电子能量增加,材料的电荷累积速率加快,放电电流的峰值并不随着电子能量的增加而增大,而是一个近似不变的值;放电频率随着电子能量的增加而增大且呈现出正相关的特性;随着介质材料厚度略微增大,表面充电电位增大,累积的电荷量增多,放电峰值增大,放电频率变小。     

利用朗缪尔双探针诊断电弧离子镀等离子体参数

本文利用朗缪尔双探针对电弧离子镀等离子体进行了诊断.双探针具有收集电流小的优点(小于离子饱和电流),可以避免探针在高密度电弧离子镀等离子体中被烧坏.利用离散傅里叶变换(DFT)对测量曲线进行平滑,有效地克服了电弧离子镀等离子体放电所固有的强烈波动.探针端部设计能够避免由薄膜沉积造成的探针与支撑杆短路问题.实验结果表明,等离子体密度随着弧电流和气压的增加而增加,而电子温度随着弧电流和气压变化不明显.另外,使用双靶放电等离子体密度和电子温度高于单靶放电.这些结果提供了电弧离子镀等离子体的基本参数,对于材料涂层工艺研究具有积极意义.     

纵向磁场对直流真空电弧等离子体发展进程的影响研究

从微观角度出发,数值模拟直流真空电弧燃弧初期电弧的发展进程,研究纵向磁场对电弧等离子体参数输运特性的影响。建立电弧等离子体流体-化学混合模型,仿真研究纵向磁场作用下的电弧运动特性。数值模拟电弧等离子体中粒子输运特性,以得到电弧等离子体参数随磁场变化规律。仿真结果表明:纵向磁场分布对直流真空电弧放电初期粒子的数密度与温度等参数的作用,直接影响电弧的发生与发展。研究并分析了直流真空电弧燃弧初期的过程。     

新型彩色等离子体放电单元放电特性的三维模拟

用三维数值模拟的方法 ,研究了新型彩色等离子体平板显示器结构———槽型彩色等离子体平板显示器放电单元的放电特性。给出了不同时刻放电单元中电位分布及电子和其它主要粒子的浓度在三维空间的分布情况。比较了不同电极宽度情况下 ,各粒子平均浓度随时间的变化情况。新型彩色等离子体平板显示器放电单元放电特性的三维模拟计算 ,使得对电极形状的优化成为可能     

新型彩色等离子体放电单元放电特性的三维模拟

用三维数值模拟的方法，研究了新型彩色等离子体平板显示器结构－槽型彩色等离子体平板显示器放电单元的放电特性，给出了不同时刻放电单元中电位分布及电子和其它主要粒子的浓度在三维空间的分布情况，比较了不同电极宽度情况下，各粒子平均浓度随时间的变化情况，新型彩色等离子体平板显示器放电单元放电特性的三维模拟计算，使得对电极形 状的优化成为可能。     

基于均匀模型的低气压电容耦合射频放电特性研究

针对磁流体流动控制技术对大体积、均匀放电等离子体的需要,开展了低气压下平板型电容耦合放电特性实验研究,并基于均匀射频放电模型,联立能量平衡方程建立诊断模型对等离子体参数进行诊断。结果表明:气压较低时,放电为α模式,整个放电空间发光较为均匀,当气压大于500 Pa时,放电转变为γ模式,在电极附近出现负辉光区,但负辉光区较厚占据了整个放电空间,随着气压增大,负辉光区、法拉第暗区厚度减小,并在放电区域中心出现明显正柱区,正柱区面积随负载功率的增大而增大;放电为γ模式时,电流将随负载功率增大而增大,而电压先不变后增大,并且转折点负载功率随着气压增大而增大;电子数密度ne随负载功率的增大线性增大,而电子温度T_e只是略有增大,约为5500 K(0.47 e V)。     

电子回旋共振波等离子体及其应用

电子回旋共振波等离子体是依靠特殊的电磁波与电学各向异性材料相互作用来实现的,它被证明是一种适用于改进传统真空镀膜工艺的高效技术。与传统辉光等离子体放电系统相比,电子回旋共振波系统的特点是产生高离子电流密度、能量分布集中的等离子体,能够实现半导体薄膜的低压高速沉积,具有离化率高、放电反应室内无电极、适合大面积薄膜沉积等优点。在实际实验及应用中常使用双电源驱动等离子体放电系统,利用电子回旋共振波原理进行等离子体放电,而使用另一个独立的射频(或者直流)电源系统来驱动等离子体束流的引出,在等离子体放电过程中可实现独立、精确控制离子电流密度和离子能量等参数,在半导体薄膜沉积、精密刻蚀、等离子体源等领域有着重要的应用。本文主要介绍了电子回旋共振波等离子体原理、特点,并结合实验与诊断方法朗缪尔探针等技术来展示其研究应用进展。     

Analysis and research on acoustic efficiency of underwater plasma sound source

为研究水下等离子体声源放电系统的声效率问题,系统地分析了水下等离子体电晕放电和电弧放电两种放电方式的微观机理以及等离子体声源放电系统各部分之间的能量转换流程,建立了一套完整的系统声效率计算模型,同时设计了水下等离子体脉冲放电试验系统.通过比较和分析水下脉冲电晕放电和水下脉冲电弧放电的声效率发现,系统中电弧放电的声效率明显高于电晕放电.通过水下高压脉冲放电试验,详细分析了水下等离子体放电系统中关键部件对系统声效率的影响.分析结果表明:关键部件的设计和参数的优化配置对整个系统的声效率有重要影响;通过声效率的分析,能够准确评估水下等离子体声源的设计合理性.     

射频电感耦合离子源放电室内放电等离子体的二维磁流体模拟研究

为了研究平面盘香形射频离子源等离子体放电特性,对射频电感耦合离子源内的放电等离子体运用磁流体动力学建立二维磁流体模型进行数值模拟,得到了放电室内等离子体参数分布.结果发现电子由于受双极性电势的约束主要分布在放电室的中心,放电等离子体吸收能量的区域主要在放电室内距天线1 cm附近.对比电子的温度和离子密度分布,在低气压条件下,电子加热的区域和产生电离的区域是分开的,电子加热的区域出现在线圈附近,而最强的电离过程发生在双极性电势最高的位置附近.     

新型阴极弧电源研制及脉冲增强电子发射(P3e)效应研究

本文研制了新型脉冲阴极弧电源,并实现了脉冲增强电子发射(P3e)以提高真空室内等离子体密度。该电源核心由脉冲发射和维持电流系统构成,由单片机和触摸屏系统协同控制和管理。对P3e电源进行放电特性和脉冲增强电子发射效应进行了研究。结果表明,在相同平均电弧电流条件下,与直流相比,P3e技术能够显著提高工件(基体)脉冲电流与平均电流。在电弧平均电流90 A时,基体脉冲电流由5 A提高到19.6 A,基体平均电流由2.2 A最大提高到4.6 A,表明脉冲增强了电子发射,进而获得高的等离子体密度,这将有助于增加膜层致密性、降低膜层应力。该新型电源对于阴极弧靶中毒抑制、膜层结构改善、膜层颗粒污染控制具有重要的意义。     

航天器空间环境模拟器中的等离子体分布规律

低轨道航天器的空间等离子体环境主要为低温、低密度、均匀等离子体,本文详细叙述了低轨道空间等离子体的特点,为了准确校准Langmuir(朗缪尔)探针,对空间模拟装置内等离子体的参数分布进行了详细的实验和数据分析,得到了电子密度、电子温度、空间电位、悬浮电位、德拜长度的分布规律,得出校准装置中心200 mm以内为稳定的等离子体,从而在安装位置上有助于更好地对探针校准。     

基于FLUENT软件直流电弧等离子体喷射法等离子体放电特征二维数值模拟

直流电弧等离子体喷射法制备金刚石膜的过程中氩气主要起维持电弧放电作用,在一定程度上保证电弧放电的稳定性。本文利用自定义标量和自定义函数技术对FLUENT软件进行二次开发,在动量和能量守恒方程中添加相应电磁源项。对纯氩直流电弧等离子放电特征进行二维数值模拟,并经过实验验证后最终得到等离子体放电区域的温度、焦耳热、电流密度和速度等分布。模拟结果表明气压为1000 Pa工作电流为100 A条件下:氩等离子体最高温度和最大速度达到11000K和340 m/s,且均出现在阴极尖端位置附近;较强的外侧气流使阳极斑点稳定维持在阳极内侧下边缘位置,其附近等离子体温度在9000 K左右;基体表面附近等离子体温度受到焦耳热分布和阴极高温射流共同作用,维持在3000~4000 K。     

第二十讲 真空离子镀膜

正(接2020年第4期第96页)13.6负偏压对膜沉积过程的影响13.6.1直流偏压真空阴极电弧离子镀一般配置直流负偏压电源。它的正极接镀膜室壳(阳极接地),其阴极连接在基片(工件)上。其负电压从0～-1000V可调,构成对阴极电弧源(靶)和电弧放电等离子体负电位。正是带负偏压基片在等离子体中,     

三阴极级联弧源下氦等离子体的特性研究

采用课题组自行研制的高密度低温三阴极等离子体源研究了氦等离子体的基本特性,拟为研究边缘氦等离子体与偏滤器材料的相互作用提供参数。研究结果表明:(1)氦等离子体电子温度、电子密度均随氦气流量、磁场、电流的增大呈线性增加趋势。其中,电子密度可达10~(19)m~(-3),电子温度小于1 eV。(2)氦等离子体的热负荷及离子通量随磁场、流量的增加而增加,且离子通量可达10~(22)/m~2s~1,热负荷可达19.68 kW/m~2;(3)氦原子光谱随放电电流、氦气流量的增大而增大;(4)距喷口29 cm处的整个截面通过的离子数可达10~(19)/s,约为输入粒子总数的1%左右。     

ECR微波等离子体特性的实验研究

着重介绍采用一段真空波导耦合的ECR微波等离子体装置，以及在CH4－H2混合气体放电情况下，诊断了内部等离子体参数，给出了等离子体密度、电子温度、基板鞘附近的空间电位以及在类金刚石膜合成条件下等离子体中的基团情况，同时研究了它们与工艺参数之间的关系。