高密度等离子体源的需求与日俱增-核工业西南物理研究院ppt课件

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,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。,应用意义,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Thomsonscattering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。,实验研究,理论及模拟研究,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。,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,图1ECR放电系统,1.物理模型,图2外加静磁场分布(Convergence-type),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,2.1电磁场求解,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,由真空中的麦克斯韦方程组来求解自洽电磁场分布。,2.1电磁场求解,将任意场表达式代入上述方程组，得,2.1电磁场求解,微波从放电系统左边界馈入，传播至右边界处无任何反射，全部被吸收。,其中,2.2电流源求解,即,的求解,可求得,电流源由电子和离子电流源两部分购成：,2.2电流源求解,设单位长度内电子数密度为,由,个宏观电子来表征，则电子电流可以表示为：,将电流源项带回场方程中：,其中,电子的有效速度为：,2.3推动粒子运动,应用PIC方法描述等离子体集体运动行为；MCC方法描述粒子间的碰撞。,每一个时间步长内带电粒子发生碰撞的几率为：,粒子发生碰撞，由MCC法处理,粒子不发生碰撞，由PIC法处理。,0,1均匀分布的随机数R,2.3推动粒子运动-MCC部分,碰撞类型,Ion-neutral弹性碰撞、电荷交换碰撞Electron-neutral弹性碰撞、激发碰撞、电离碰撞,发生何种碰撞由分几率来确定,电子的分几率为,离子的分几率为,2.3推动粒子运动-PIC部分,则带电粒子的运动方程为：,定义：,2.4带电粒子与边界的相互作用-二次电子发射,我们将电子入射至边界后的行为划分为以下三种情形：入射电子进入边界材料中，速度变缓，留在边界中，其能量传递给边界表面中的电子使其处于激发状态，部分处于这种激发状态的电子会挣脱边界的束缚，逃逸出边界，这部分电子称为“真二次电子”。入射电子被表面势垒反射或在表层被晶格反射回放电系统，或入射电子射入固体内部一定深度被弹性散射出来的原电子，在逸出表面过程中又发生一次或多次弹性或非弹性碰撞而损失能量，最后返回放电系统。这部分电子统称为“背散射电子”。入射电子与边界发生相互作用后损失了能量，最终被边界所吸收,2.4带电粒子与边界的相互作用-二次电子发射,具体电子与边界相互作用的过程由相应的发射系数决定。总二次电子发射系数由两部分构成：真二次电子发射系数和背散射电子发射系数。,发射系数依赖于：电子的入射能量电子的入射角度边界材料的属性,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,图3PIC/MCC模拟流程图,3.数值模拟,图4差分格式,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,图5电子vex-z相空间分布（上）,图6Et沿z向的分布（下）,4.诊断分析,图7电子vez-z相空间分布,4.诊断分析,图8电子vey-vez相空间分布,物理模型,图9ECR放电系统,诊断分析,图11(右)电子能量分布函数（稳态）：z1区域（方形)；z2区域（圆形),图10(左)电子能量分布函数（初期）：z1区域（方形)；z2区域（圆形),诊断分析,图13(右)电子vex分布函数（稳态）：z1区域（方形)；z2区域（圆形),图12(左)电子vex分布函数（初期）：z1区域（方形)；z2区域（圆形),诊断分析,图15(右)电子vez分布函数（稳态）：z1区域（方形)；z2区域（圆形),图14(左)电子vez分布函数（初期）：z1区域（方形)；z2区域（圆形),诊断分析,图16电子速度分布函数随时间的演化：vex（方形)；vez（圆形),总结,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