Electron heating in capacitively coupled RF plasmas: a unified scenario
Electron heating in capacitively coupled RF plasmas: a unified scenario
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电容耦合射频等离子体中的电子加热：统一场景
DOI：
10.1088/0963-0252/25/1/014001
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发表时间：
2015
影响因子：
3.8
通讯作者：
R.P. Brinkmann
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
R.P. Brinkmann
[en]从第一性原理出发，研究了射频电容耦合等离子体（RF-CCP）中的电子加热。出发点是电子的连续性方程和运动方程，忽略电离，但考虑电力和压力以及与中性背景的弹性碰撞。泊松方程自洽地计算电场;假设离子密度是给定的。假设德拜长度λ D与鞘层长度尺度l相比很小，外加频率ω RF与电子等离子体频率ω pe相比很小，对小度参数λ D/l <$ω RF/ω pe进行了渐近展开。如之前已经证明的（Brinkmann 2015 Plasma Sources Sci. 24 064002），该分析给出了一个表达式--平滑阶跃模型（SSM）--它产生（i）单极区的空间电荷场，（ii）双极区的广义欧姆场，以及（iii）它们之间快速跃迁的平滑插值。利用SSM和电子密度和电子通量公式，建立了满足O（π）的电场力和电功率密度表达式。在鞘层上积分并取相位平均值，总耗散功率的表示被发现是四个物理上不同的贡献之和。所有术语都对应于电子加热机制，这些机制（明确地或隐含地）是已知的，但到目前为止只在相互不兼容的框架内进行了讨论。（文件）
[en] Electron heating in radio-frequency capacitively coupled plasmas (RF-CCP) is studied from first principles. The starting points are the electron equations of continuity and motion, with ionization neglected but electric and pressure forces and elastic collisions with the neutral background taken into account. Poisson’s equation self-consistently calculates the electric field; the ion density is assumed as a given. Postulating that the Debye length λ D is small compared to the sheath length scale l and the applied frequency ω RF is small compared to the electron plasma frequency ω pe, an asymptotic expansion in the smallness parameter ϵ= λ D/l∼ ω RF/ω pe is conducted. As has been demonstrated before (Brinkmann 2015 Plasma Sources Sci. Technol. 24 064002), this ansatz gives an expression—the smooth step model (SSM)—which yields (i) the space charge field in the unipolar region,(ii) the generalized Ohmic field in the ambipolar region, and (iii) a smooth interpolation for the rapid transition in between. Using the SSM and formulas for the electron density and the electron flux, expressions for the electric force and the electric power density are established which hold up to O (ϵ). Integrating over the sheath and taking the phase average, a representation for the total dissipated power is found as a sum of four physically distinct contributions. All terms correspond to electron heating mechanisms which are (explicitly or implicitly) already known but were so far discussed only within mutually incompatible frameworks.(paper)
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