文本等离子体培训讲义.pptx

等离子体的多物理场仿真王海莉 博士应用工程师COMSOL 中国日程安排感应耦合等离子体微波放电等离子体平衡放电等离子体等离子体相关多物理场耦合等离子体模型调试技巧COMSOL低温等离子体建模简介直流放电案例操作等离子体全局模型容性耦合等离子体什么是等离子体？等离子体灯泡半导体工艺腔体等离子体炬定义常被称为物质的“第4态”等离子体是由带电粒子组成的导体，表现出中性和场的集体效应工业应用照明半导体工艺军事活性气体生成/消灭……等离子体组成等离子体包含：电磁场（瞬时）电子能（小于纳秒）电子传递（纳秒）离子传递（微秒）激励物质传递（0.1毫秒）中性气体流动和温度（毫秒）各种不同组成的特征时间尺度跨度广泛，加大了等离子体建模的难度等离子体模型的计算很花时间！等离子体建模难点空间难度大网格需要解析德拜长度自由度很大（很多粒子）需要考虑大量粒子，特别是对于分子气体放电电子能和电磁场之间具有很强的耦合关系不太容易找到等离子体化学数据COMSOL Multiphysics 等离子体模块使建模变得容易，不过仍然需要一些专业知识非平衡放电数值不稳定甜区COMSOL无法进行模拟几何特征尺寸(m)真空电弧半导体工艺介质阻挡放电直流放电必须是:碰撞引起的(在电子到达壁之前必须和背景气体发生多次碰撞)一般来说，平均自由程 必须远小于放电腔体的特征尺寸低温(电子温度 50eV)，电子温度远高于背景气体温度弱电离(离子的质量分数约为1%)非碰撞等离子体需要使用particle-in-cell(PIC)代码进行模拟基于自洽的流体方法，计算电子密度和温度，离子密度，中性颗粒质量分数以及电场分布高温 (核) 等离子可使用磁流体(MHD)近似等离子体种类容易容易建模难度加大中等难度中等难度中等难度难难常见有以下这些等离子体类型：感应耦合等离子体直流放电容性耦合等离子体微波等离子体磁化直流放电组合式 ICP/CCP 反应器电击穿各类等离子体中电磁场向电子传递能量的机理不一样针对应用的物理场接口等离子体用来研究静电场或时变电场维持的放电现象等离子体，时间周期对MHz频段的CCP进行建模的专用接口感应耦合等离子体用来研究由感应电流维持的放电现象，其中感应电流通过频域求解微波等离子体用来研究电磁波维持的放电现象等离子体模块功能1D2D3D感应耦合等离子体?N/A√√直流放电√√√微波等离子体#N/A√可能火花放电√不稳定X容性耦合等离子体√√X介质阻挡放电√√可能离子能量分布函数*N/A√√? 需要 AC/DC 模块# 需要 RF 模块* 需要粒子追踪模块离散化等离子体接口中的离散格式设定有限元格式是所有等离子体接口的缺省离散化格式可以使用Scharfetter-Gummel迎风格式的面中心有限体积离散格式与此相关的选项位于离散化设定栏对于以迁移为主电子和离子通量类放电，有限体积离散化是“最后的手段”理论静电场通过泊松方程来计算等离子体的电势通过电子和其他带电粒子的数密度来计算电荷静电边界条件金属接触边界条件的设定窗口等离子体模块中用于求解电势的专用边界条件金属接触：用于模拟等离子体和金属壁之间的相互作用。边界可以是固定电势，固定电流以及外电路驱动。介电接触：用于模拟等离子体与电介质表面之间的相互作用。表面电荷积累：用于模拟内部电介质边界上的电荷积累终端：用于电荷守恒域相邻边界，可以固定的电势、固定电流或者同外电路相连接地：用于放电腔体壁表面电荷积累边界条件由于离子和电子具有不同的传递时间尺度，所以在电介质表面可以累积表面电荷表面电荷作为静电物理场接口的边界条件使用电子输运(1)COMSOL 求解一对描述电子密度和电子能密度的漂移扩散方程传递属性可以是张量形式，或者是平均电子能和直流磁通密度的函数电子输运(2)有用变量:平均电子能量电子温度??电子密度:电子能量密度:电子输运(3)?对于麦克斯韦能量分布函数，恒定压强:?电子密度:电子能量密度:电子输运(4)?局部能量近似:求解电子能量密度输运方程得到 局部场近似:不求解关于电子能量密度通过查找表或者常数的方式指定电子处于局部平衡，能量只和电场E有关 (常用于大气压下放电，例如案例库中的空气电晕放电和流注放电)电子输运边界条件?绝缘 (缺省), 通量指定 和/或 电子密度和能量指定 和/或 壁考虑各种影响, 的机制电子出口, 壁边界条件热运动电迁移二次电子发射热电子发射反应壁上有以下关于电子密度和电子能量密度的通量边界:壁面上电子损耗二次电子发射热电子发射电子反射壁边界条件在热运动作用下，一个平均自由程内的电子在壁中消失/反弹?壁边界条件二次电子发射?壁边界条件热电子发射或者其他用户自定义的电子通量?壁边界条件?迁移引起的电子损耗限制理论:平均自由程远小于几何特征长度较低约化电场强度 )弱电离数