低气压容性耦合Ar/CH4等离子体的放电特性

doi:10.19596/j.cnki.1001-246x.8734

摘要/Abstract

摘要：

为进一步了解在容性耦合等离子体放电时的放电机理与入射到极板处的粒子状态, 通过Particle-In-Cell/Monte Carlo Collision(PIC/MCC)程序模拟氩气与甲烷混合气体放电, 分别对不同Ar/CH₄比例和不同极板间隙条件下的电子密度、CH₄⁺、CH₃⁺基团粒子浓度、电子能量概率(EEPF)分布, 以及对到达极板边界粒子的能量角度分布和粒子种类进行模拟计算。模拟结果表明: 在固定Ar/CH₄为9∶1时随着极板间距的增大, 放电中心的电子密度、Ar⁺、CH₂^-和H^-离子密度均呈现先下降后上升的趋势, 而CH₄⁺与CH₃⁺离子密度变化趋势正好相反; 极板间距增大时, 电子能量概率分布由双麦克斯韦分布变为单麦克斯韦分布; 到达极板中电子占比较大, 随极板间距的变小, 到达极板处的Ar⁺概率先降低后升高, 到达极板的CH₄⁺、CH₃⁺和CH₂⁺离子比例随极板间距增加而增加。在固定极板间距时, 随CH₄含量的增加, 放电中心的电子密度、Ar⁺密度均呈现下降趋势, CH₄⁺、CH₃⁺、CH₂^-和H^-离子的密度均呈上升趋势; 极板间距的变化对EEPF分布的影响比CH₄比例变化的影响更加明显; 随CH₄含量的增加, 到达极板的电子占比变化不明显, Ar⁺离子的占比明显减小, 而到达极板处的CH₄⁺、CH₃⁺、CH₂⁺和其余的离子比例均有增加。

关键词: 容性耦合等离子体放电, Ar/CH₄混合等离子体, PIC/MCC模拟

Abstract:

To further understand the discharge mechanism and the particle states incident to the pole plate during the capacitively coupled plasma discharge, the discharge of argon and methane gas mixture is simulated by PIC/MCC program, and the electron density, CH₄⁺ and CH₃⁺ group particle concentrations, electron energy probability distribution, as well as the energy angle distribution and particle species of the particles reaching the pole plate boundary are simulated and calculated under different Ar/CH₄ ratios and different pole plate gap conditions. The simulation results show that the electron density, Ar⁺, CH₂^- and H^- ion density in the discharge center decrease and then increase with the increase of the pole plate spacing at a fixed Ar/CH₄ of 9∶1, and the CH₄⁺ and CH₃⁺ ion density change in the opposite trend; the electron energy probability function (EEPF) from double Maxwell distribution to single Maxwell distribution when the pole plate spacing increases; the percentage of electrons arriving at the pole plate is larger and changes less with the pole plate spacing, the probability of Ar⁺ arriving at the pole plate first decreases and then increases, and the percentage of CH₄⁺, CH₃⁺ and CH₂⁺ ions arriving at the pole plate increases with the increase of the pole plate spacing. At fixed pole plate spacing, the electron density and Ar⁺ density in the discharge center show a decreasing trend with increasing CH₄ content, and the densities of CH₄⁺, CH₃⁺, CH₂^- and H^- ions show an increasing trend; the effect of the change in pole plate spacing on the EEPF distribution is more obvious than the effect of the change in CH₄ ratio on the EEPF distribution; with the increase in CH₄ content, the change in the percentage of electrons arriving at the pole plate is not obvious, and the percentage of Ar⁺ ions decreases significantly, while the percentage of CH₄⁺, CH₃⁺, CH₂⁺ and the rest of ions arriving at the pole-plate increase.

Key words: capacitively coupled plasma discharge, Ar/CH₄ mixed plasma, PIC/MCC simulation

中图分类号:

O461.2+4

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图/表 8

图1 一维粒子模拟实验装置图

Fig.1 One-dimensional particle simulation experimental setup

图2 电子与甲烷发生碰撞的截面数据图

Fig.2 Cross-section data of electrons collision with methane

表1 电子与甲烷的碰撞反应式

Table 1 Electrons collision reaction with methane

序号	反应式	阈值/eV	类型
(1)	e+CH₄→CH₃+H^-	5.808	电子吸附
(2)	e+CH₄→H₂+CH₂^-	5.808	电子吸附
(3)	e+CH₄→e+CH₄	0	弹性碰撞
(4)	e+CH₄→e+CH₄(v2)	0.162	激发碰撞
(5)	e+CH₄→e+CH₄(v1)	0.362	激发碰撞
(6)	e+CH₄→e+CH₃+H	7.5	激发碰撞
(7)	e+CH₄→e+CH₂+H₂	9.1	激发碰撞
(8)	e+CH₄→e+CH+H₂+H	15.5	激发碰撞
(9)	e+CH₄→e+C+2H₂	15.5	激发碰撞
(10)	e+CH₄→2e+CH₄⁺	12.63	电离碰撞
(11)	e+CH₄→2e+H+CH₃⁺	12.63	电离碰撞
(12)	e+CH₄→2e+H₂+CH₂⁺	16.2	电离碰撞
(13)	e+CH₄→2e+CH₃+H⁺	21.1	电离碰撞
(14)	e+CH₄→2e+2H₂+C⁺	22	电离碰撞
(15)	e+CH₄→2e+H+H₂+CH⁺	22.2	电离碰撞
(16)	e+CH₄→2e+CH₂+H₂⁺	22.2	电离碰撞

图3 在射频频率为100 MHz，Ar/CH4为9∶1，放电极板间距为2~5 cm时, 电子、Ar+、CH4+、CH3+、CH2-和H-密度的轴向分布图

Fig.3 Axial distribution plot of electron, Ar+, CH4+, CH3+, CH2- and H- densities at RF frequency of 100 MHz, Ar/CH4 of 9:1 and discharge plate spacing of 2~5 cm

图4 在射频频率为100 MHz，极板间距为2 cm时，电子密度、Ar+、CH4+、CH3+、CH2-和H-的离子密度分布随甲烷含量的变化

Fig.4 Ion density distributions of electron density, Ar+, CH4+, CH3+, CH2- and H- with methane content at RF frequency of 100 MHz and plate spacing of 2 cm

图5 电子能量概率分布函数(a)射频频率为100 MHz，Ar/CH4气体比例为9∶1；(b)射频频率为100 MHz，极板间距为2 cm

Fig.5 Electron energy distribution function (a) RF frequency of 100 MHz and Ar/CH4 of 9∶1;(b) RF frequency of 100 MHz and plate spacing of 2 cm

图6 到达极板的离子概率分布百分比图(a)射频源频率为100 MHz，Ar/CH4气体比例为9∶1，不同极板间距；(b)射频源频率为100 MHz，极板间距为2 cm，不同甲烷含量

Fig.6 Percentage of ion probability distribution at plate (a) with different plate spacing, RF frequency of 100 MHz, Ar/CH4 of 9∶1; (b) with different methane content, RF frequency of 100 MHz and plate spacing of 2 cm

图7 到达极板处的CH4+、CH3+粒子在每个速度方向与轴向的夹角处能量的平均值分布图(a) 射频频率为100 MHz，Ar/CH4为9∶1，不同的极板间距；(b)射频频率为100 MHz，极板间距为2 cm时，不同甲烷含量

Fig.7 Distribution of the average values of the energy of CH4+ and CH3+ particles arriving at the pole plate at the angle between each velocity direction and the axial direction (a) with different plate spacing, RF frequency of 100 MHz and Ar/CH4 of 9∶1; (b) with different methane content, RF frequency of 100 MHz and plate spacing of 2 cm

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低气压容性耦合Ar/CH₄等离子体的放电特性

Discharge Characteristics of Low Pressure Capacitively Coupled Ar/CH₄ Plasma

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