Univ. Elec Sci & Tech of China Theory and Computer Simulation Lab.
1. 2. 3. 4.
物理模型 理论方法 数值模拟 诊断分析
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1. 物理模型
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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
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2.1 电磁场求解
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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：
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实验研究
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Байду номын сангаас
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
substrate
2.45GHZ microwaves
Magnetic field lines
solenoids
图1 ECR放电系统
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1. 物理模型
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图2 外加静磁场分布 (Convergence-type)
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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；
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 静电 模型 电磁 模型
粒子模型
混合模型 静电 模型 电磁 模型
PIC/MCC
静电 模型 电磁 模型 静电 模型
PIC
电磁 模型
MCC
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其中
(i ) cs(i ) cmn (R, ) 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。
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2.1 电磁场求解
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(1) (1) (2) (2) E ETS ( z, t ) e c E ( z , t ) e c s TS s z z s


2 2
(1) (2) (1) (1) (1) (2) (2) (2) B BTS ( z , t ) cs(1) BTS ( z , t ) cs(2) ez BLS ( z , t )kcs cs BLS kcs cs s s
( j ) B ( j) ( c dA c (cu ) ( E )dA A u ) A t
B ( j) ( j) c e dA c cu ez ( E )dA A u z A t ( j ) E ( j) ( j) ( e c ) dA c ( e c ) B dA 4 J ( e c )dA z u z u z u A A A t
应用意义
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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。
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1. 2. 3. 4.
物理模型 理论方法 数值模拟 诊断分析
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2. 理论方法
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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。
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理论及模拟研究
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。
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理论及模拟研究
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第十三届全国等离子体科学技术会议 成都 2007.08
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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
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