微波等离子体的原理和仿真方法

发布网友发布时间：2024-09-30 02:31

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热心网友时间：2024-12-03 08:48

微波等离子体的原理及仿真方法在半导体加工、表面处理和有害气体排放等领域有广泛应用。COMSOL等离子体模块中的微波等离子体接口提供了一种理论基础。当电子从穿透等离子体的电磁波中获得足够能量时，微波等离子体会持续放电。微波等离子体的物理特性与传播的电磁波模式（TE或TM）有关。对于电子回旋共振等离子体，压力范围通常在1Pa左右，而非电子回旋共振等离子体压力则在100Pa到大气压之间。微波等离子体功率范围在几瓦到几千瓦不等。由于微波电源成本低廉，微波等离子体应用广泛。

理解与微波等离子体建模相关的细微差别需要复习维持放电的理论。在等离子体模块中，电磁波在频域中计算，其他变量在时域中计算。麦克斯韦方程组用于描述电磁场、等离子体电流密度以及电位移。通过假设麦克斯韦分布函数和取波尔兹曼方程的第一项，可以得到微波时间尺度上的平均电子速度。通过傅里叶变换，可以对方程组进行处理，并计算出从电磁场转移到电子的功率。

除了上述方程外，还需要解决电子密度、电子能量密度、等离子体电势以及离子和中性物质的方程。这些方程描述了电子密度、电子能量密度、等离子体电势以及所有离子和中性物质的质量迁移。同时，泊松方程用于计算由电荷分离产生的双极电场。综上所述，微波等离子体接口在合适的边界条件下求解了所有相关方程。

在二维或二维轴对称模型中，电磁波以横电波（TE）模式或横磁波（TM）模式传播。TE模式下，电子在微波时间尺度内不会经历高频电场变化，导致电子能量增益。TM模式下，电子在高频电场显著区域经历非局部动力学效应，破坏电子与电场之间的相位一致性，导致能量增益。

当模型ECR反应器时，电子传递属性成为静态磁通密度的张量函数，静态磁通密度可用永磁体创建。等离子体电导率变为完整张量，并为高度非线性静态磁通密度函数。此外，还需考虑电磁场的所有三个分量。关于如何建立和求解ECR反应器模型的详细信息，可在偶极微波等离子体源模型文件中找到。

在等离子体模块中使用微波等离子体接口，可建立三种类型的波加热放电模型。在微波等离子体设置窗口中，提供了“求解的电场分量”选项。对于沉积和反射功率，当使用端口边界条件时，默认提供沉积功率和反射功率之和。通过“指定沉积功率”选项，可以得到更稳定的方程组。一些建模建议有助于提高收敛性和减少计算时间，包括调整求解器设置。在COMSOL案例库中，提供了面内微波等离子体的示例，使用有效碰撞频率计算功率沉积。对于基于粒子的无碰撞加热的解释，粒子追踪模块可用于演示TM模式下的无碰撞加热过程。