质点网格法电感耦合等离子体数学模型

建立了一个研究电感耦合等离子体源（ICPS）行性的数学模型，叙述了质点网格（PIC）法的原理，给出了PIC法的计算方法，指出PIC法必须与蒙特卡罗碰撞（MCC）模型和鞘层模型相结合，才能更准确地对ICPS进行模拟，中讨论了不同参数（天线的位置和匝数，反应室高宽比等）对等离子体密度分布和电场强度分布的影响，根据模拟的结果，提出了改善等离子体均匀性的方法，这对高密度平面等离子体源的设计具有重要意义。     

直流氩气辉光放电的PIC/MCC模拟分析

辉光放电在微电子工业中的应用越来越广泛。为了研究直流辉光放电稳态等离子体的特性,采用粒子网格方法(PIC法)与Monte Carlo碰撞模型(MCC方法)相结合的方法(PIC/MCC方法)跟踪了带电粒子的运动过程,同时充分考虑了电子与中性粒子的弹性、电离碰撞,离子与中性粒子的弹性和电荷交换碰撞,模拟结果得到了直流辉光电离过程达到稳态后的电子离子的相空间分布,得到了放电过程中带电粒子的速度、能量的空间变化,同时对粒子进行统计平均,得到了空间中的电势和电场强度分布,模拟结果与实验和理论相符,对实验有一定的指导意义。     

等离子体浸没离子注入(PIII)过程中初始离子阵鞘层尺度内各物理量的时空演化

等离子体浸没离子注入(PIII)是用于材料表面改性的一种较新的、廉价的、非视线的技术.靶体被浸没在等离子体中,等离子体中的离子在靶体负脉冲偏压的作用下注入靶体而实现材料的表面改性.为了描述等离子体浸没离子注入过程,我们引用了一维粒子模型(PIC)对其进行了数值模拟,该模型通过求解空间电势的Poisson方程,电子的Bolzmann分布以及离子在网格中受力运动的Newton运动方程来完成.本文重点研究了一个初始离子阵鞘层内电势、离子浓度、离子注入靶体的速度和动能以及离子流密度的时空演化规律.     

等离子体浸没式离子注入圆形薄片均匀性研究

采用PIC（Partical in call)方法考察了等离子体浸没式离子注入工艺中，样品和靶台的几何尺寸、形状及防止溅射沾污的绝缘材料对于注入离子径向分布的影响。并对模拟结果进行了讨论分析。结果表明，影响剂量分布的主要因素是基片和靶台的横向尺寸，为改善等离子体浸没式离子注入均匀性的研究提供参考数据。     

Particle-in-Cell等离子体模拟方法的优化研究

由于PIC(Particle-in-Cell)方法在模拟GEO轨道上等离子体与航天器相互作用时计算量较大,因此限制了该方工程上的应用。文章分析了PIC方法在航天器充放电效应模拟中的计算效率问题,针对占用时间最多的泊松方程求解步骤提出了改进方法,并通过模拟验证了该方法的有效性。     

准中性等离子体模拟中的两种渐近保持PIC算法研究

针对准中性无碰撞等离子体的Vlasov方程及与其相耦合的求解电势的Poisson方程所组成的Vlasov-Poisson系统,提出了两种渐近保持PIC算法,并将其运用到一维周期性波动等离子体模型上。与传统PIC算法相比较,两种渐近保持PIC算法解决了Vlasov-Poisson系统多尺度参数中的小量束缚问题,时间和空间步长的选取可以克服传统粒子模型中等离子体周期及德拜长度的限制,且模拟结果稳定正确,大大提高了计算效率。     

基于等离子体在磁控溅射增强的模拟

磁控溅射为代表的真空法已经成为制备薄膜的主流方法,磁场分布、等离子体密度分布及其温度等因素会直接影响到薄膜的质量。因此,选择合适的模型研究磁控溅射过程中气体放电时等离子体粒子以及电子分布非常重要。本文根据气体放电的基本原理,对圆柱形溅射装置采用流体模型,以电子、离子、亚稳态离子和中性粒子为主要粒子的等离子体建立物理模型,采用有限差分方法对所建立的模型,利用计算机编程数值模拟了直流溅射系统内气体放电的过程得到等离子体粒子的分布以及电子温度分布特性的模拟结果。     

荫罩式等离子体显示单元阳极条纹现象的研究

等离子体显示单元中的阳极条纹现象,即等离子体密度沿阳极分布不均匀的现象,对于提高等离子体显示屏的显示性能具有重要影响.在许多等离子体显示单元的实验和模拟过程中,都观察到了条纹现象,但对于条纹形成的机理还没有定论.本文采用基于粒子模拟的PIC-MCC(Particle in Cell Monte Carlo Collide)模型,对荫罩式等离子体显示单元中阳极条纹产生过程进行了模拟,并结合放电过程中粒子浓度、等位线分布以及壁电荷积累分布等的变化情况,详细研究了荫罩式等离子体显示单元中阳极条纹的形成机理,通过对阳极条纹现象及其机理的研究,可以更好地理解等离子体放电单元的放电特性和机理,为我们寻找提高放电效率的途径提供一定的理论指导和依据.     

基于不同湍流模型的电弧加热等离子射流数值模拟

基于磁流体动力学控制方程,在Fluent中添加用户自定义函数(UDF)实现添加特殊源项和自定义标量,对电弧加热等离子体射流流动特性进行了数值模拟。采用不同湍流模型时计算得到氢等离子体射流速度场与温度场,探讨了发动机内速度场与温度场的变化规律,分析了中心轴线上的温度、速度分布,并与文献中同等条件下的实验结果进行对比。计算结果表明:采用标准k-ε模型和标准k-ω模型时与实验结果相差较大,而采用剪切应力传输(SST)k-ω模型时模拟的结果与实验结果较吻合,最大误差约为9.3%。因此采用SSTk-ω模型模拟电弧加热等离子体射流时,更能体现等离子体射流核心区层流这一物理特性。     

平等板等离子体鞘层演化过程的PIC模拟研究

为了详细描述等离子体形成过程中鞘层的产生、演化过程,建立了平等板内部等离子体流动过程的PIC模型。在考虑壁面二次电子发射的前提下,模拟得到了放电开始直到放电稳定后的平板等离子体内部和边界处的电场强度、电子密度、离子密度、电势等一系列参数分布,并分析了二次电子发射系数对鞘层厚度的影响分析。模拟结果表明:平等板内部电势相对于边界处较高,中部的电场强度为零,电子密度近似等于离子密度,而在边界处电子密度略低于离子密度,电场方向指向边界处,在等离子体边界处有明显的鞘层。     

反应室几何结构对电场强度和电子密度分布的影响

建立了电感耦合等离子体源的电磁场模型、电离模型和双极扩散模型,并进行模拟计算。计算结果表明,在天线结构和反应室内径不变的情况下,随着反应室高度的下降,电场强度逐渐升高,电子密度也升高。反应室高度从１２ｃｍ降到５ｃｍ时,峰值电子密度增加６０％。     

高密度等离子体源的新发展

介绍了几种高密度等离子体源，重点叙述了新近出现的电感耦合等离子体源ＩＣＰＳ。说明了ＩＣＰＳ的基本原理、结构特点、电磁场分布的数学模型等。还简单介绍了其应用前景和目前存在的问题。     

The effect of external cusp magnetic field on Ar ICP characteristics

In this paper, three permanent magnet rings, which were placed alternatively between the three antenna coils of a cylindrical inductively coupled radio frequency (rf) argon plasma for rf enhanced ionized magnetron sputtering system, were used to produce a closed magnetic field distribution with the magnetic field of the unbalanced magnetron sputtering to confine discharge plasma. Langmuir probe measurement was used to study the effect of the magnetic field on the plasma characteristics and their spatial distribution. The results show that the presence of the closed magnetic field leads to the increase of the ion density and the decrease of electron temperature and plasma potential. With the closed magnetic field, the plasma density distribution in radial direction will become more uniform.     

大面积平面表面波等离子体的研究

低温等离子体技术已被广泛应用于各高科技领域 ,并且应用范围仍然在迅速拓展 ,这对等离子体本身提出了更高的要求 ,平面大面积、高密度均匀等离子体源是目前最迫切的需求之一。作者主要介绍表面波激发等离子体的原理 ,并在自行研制的一套平面大面积表面波等离子体源上 ,利用静电双探针测量了其Ar气放电的角向、径向和轴向的电子密度和温度。发现角向电子密度和温度均匀性与耦合天线及气压密切相关而与入射功率无关 ;径向电子密度和温度均匀性则与入射微波功率及气压密切相关而与耦合天线无关。因此 ,通过优化耦合天线来获得径向参数的均匀性及微波耦合效率 ,并增大微波功率、选择适当的气压 ,可产生大面积平面高密度等离子体     

柱形单极表面波等离子体天线控制模型研究

由气体分子动力学及波尔兹曼方程建立了基于柱形单极表面波等离子天线结构的控制模型,通过推导和计算得出了一系列模型方程。通过与实验数据的分析对比,发现在一定条件下模型数据与实验测试结果吻合良好。模型可用于等离子体天线参数控制、预测以及等离子天线的参数重构控制。     

潘宁气体真空等离子体天线的基本特性研究

根据潘宁气体放电的物理特性,定性分析了等离子体天线中氦氩潘宁气体放电的特性,实验测量了充满氦氩潘宁气体的等离子体天线与充满纯氦或纯氩等离子体天线的等离子体长度、等离子体密度,得出等离子体天线中充入氦氩潘宁气体时,在同等条件下能使等离子体天线的有效长度更长,等离子体密度更高。等离子体密度对天线的辐射效率和隐身性能影响很大,因此研究氦氩潘宁效应存在时表面波等离子体柱的等离子体长度与所加射频功率的关系和等离子体密度沿天线的分布对于提高天线的辐射效率和隐身性能至关重要。     

CVD of hard DLC films in a radio frequency inductively coupled plasma source

Chemical vapor deposition (CVD) of hard diamond-like carbon (DLC) films on silicon (100) substrates from methane was successfully carried out using a radio frequency (r.f.) inductively coupled plasma source (ICPS). Different deposition parameters such as bias voltage, r.f. power, gas flow and pressure were involved. The structures of the films were characterized by Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy and Raman spectroscopy. The hardness of the DLC films was measured by a Knoop microhardness tester. The surface morphology of the films was characterized by atomic force microscope (AFM) and the surface roughness (R_a) was derived from the AFM data. The films are smooth with roughness less than 1.007 nm. Raman spectra shows that the films have typical diamond-like characteristics with a D line peak at 1331 cm⁻¹ and a G line peak at 1544 cm⁻¹, and the low intensity ratio of I_D/I_G indicate that the DLC films have a high ratio of sp³ to sp² bonding, which is also in accordance with the results of FTIR spectra. The films hardness can reach approximately 42 GPa at a comparatively low substrate bias voltage, which is much greater than that of DLC films deposited in a conventional r.f. capacitively coupled parallel-plate system. It is suggested that the high plasma density and the suitable deposition environment (such as the amount and ratio of hydrocarbon radicals to atomic or ionic hydrogen) obtained in the ICPS are important for depositing hard and high quality DLC films.