电子回旋共振放电的数值模拟.ppt

18/8/2002 随着低温等离子体在微电子工业的广泛应用和快速发展，对低气压、高密度等离子体源的需求与日俱增。目前可采用(电子回旋共振)ECR放电、感应耦合射频放电、螺旋波放电等方式生成。ECR放电生成的等离子体具有高密度、运行气压低、高电离度、大体积、均匀、无电极污染、设备简单、参数易于控制等优点，广泛应用于刻蚀、薄膜沉积、离子注入、溅射、表面清洁等。ECR放电还可以产生高密度、高电荷态离子束，该离子束在原子物理、核物理、高能物理，甚至工业应用等方面均已经被广泛应用。 在实验方面，人们已经可以通过: Langmuir探针 Doppler-Shifted 激光感应荧光计 激光Thomson scattering 光谱法 微波干涉仪 能量分析仪 等来进行诊断。但由于ECR放电复杂的变化过程，使得仅仅利用实验是无法深刻理解其物理机制和瞬态过程的，而且诸如：ECR加热、粒子的输运过程、带电粒子能量分布和角分布，对实际的应用起直接的指导作用，这些都需要对ECR放电进行深入的理论及模拟研究。 理论及模拟研究 Outline 1. 物理模型 2. 理论方法 3. 数值模拟 4. 诊断分析 1. 物理模型 1. 物理模型 Outline 1. 物理模型 2. 理论方法 3. 数值模拟 4. 诊断分析 2. 理论方法 2.1 电磁场求解 2.1 电磁场求解 2.2 电流源求解 2.2 电流源求解 2.3 推动粒子运动 2.3 推动粒子运动MCC部分 2.3 推动粒子运动PIC部分 2.4 带电粒子与边界的相互作用二次电子发射 2.4 带电粒子与边界的相互作用二次电子发射 Outline 1. 物理模型 2. 理论方法 3. 数值模拟 4. 诊断分析 3. 数值模拟 3. 数值模拟 Outline 1. 物理模型 2. 理论方法 3. 数值模拟 4. 诊断分析 4. 诊断分析 4. 诊断分析 4. 诊断分析 物理模型 诊断分析 诊断分析 诊断分析 诊断分析 总结 Thank you！ 图16 电子速度分布函数随时间的演化：vex（方形)；vez（圆形) 在对氩气ECR放电进行物理建模、理论分析的基础之上，实 现了ECR放电从放电初期至放电稳态电离过程的准三维PIC/MCC 模拟与诊断。 模拟中考虑了等离子体的集体运动、粒子间的碰撞、带电 粒子与边界的相互作用、微波场的传播等等。考虑了电子与中 性粒子的弹性、激发、电离碰撞；离子与中性粒子的弹性、电 荷交换碰撞；碰撞截面均依赖于能量而变化。 通过对诊断结果的分析，得出部分ECR放电电离特性。 Slide * Univ. Elec Sci Tech of China Theory and Computer Simulation Lab. 电子回旋共振放电的数值模拟 报告人：金晓林 电子科技大学 物理电子学院 理论与计算机模拟研究室 第十三届全国等离子体科学技术会议 成都 2007.08 应用意义 实验研究 至今为止，理论及模拟工作相对较少，而且尚不成熟，其与实验研究工作的不同步主要是因为： 1. ECR放电中的各种物理过程变化很快，各种粒子运动的 时间又不同步，这导致模拟的计算量非常大； 2. 由于ECR放电中电子回旋共振的特征，使得二维甚至是 三维的模拟才较符合实际的物理过程，而维数的增加会 导致模拟的计算量呈数量级的增长； 3. ECR放电系统结构复杂多样，控制放电的参数很多，无 形之中又增加了理论研究的难度。 近20年来，经过众多学者的不断努力，相继在ECR放电、ECR等离子体 源特性的模拟中提出了三类模型：粒子模型、流体模型、混合模型。 模拟模型 流体模型 粒子模型 混合模型 静电 模型 电磁 模型 PIC/MCC PIC 静电 模型 电磁 模型 静电 模型 电磁 模型 静电 模型 电磁 模型 MCC 理论及模拟研究 图1 ECR放电系统 图2 外加静磁场分布(Convergence-type) 2.1 电磁场的求解 2.2 电流源的求解 2.3 推动带电粒子运动 2.4 带电粒子与边界的相互作用 设系统的半径为常数R0，考虑正交模式TEmn，圆波导系统中任意场可以表示为： 其中 为i极化，TEs(TEmn)模式场的横向波函数