مقدمه

ماژول پلاسما برای مدل سازی و شبیه سازی منابع و سیستم های پلاسما در دمای پایین ساخته شده است. مهندسان و دانشمندان از آن برای درک بینایی از فیزیک تخلیه ها و اندازه گیری عملکرد طراحی های موجود یا بالقوه استفاده می کنند. این ماژول می تواند تجزیه و تحلیل را در تمام ابعاد فضایی 1D ، 2D و 3D انجام دهد – اگرچه انجام مدل سازی سه بعدی در جامعه مدل سازی پلاسما بسیار نادر است. سیستم های پلاسما ، به ذات خود ، سیستم های پیچیده ای هستند که دارای درجه بالایی از غیرخطی بودن هستند. تغییرات کوچک در ورودی الکتریکی یا شیمی پلاسما می تواند منجر به تغییرات قابل توجهی در خصوصیات تخلیه می­شود.

پلاسماهای دمای پایین نشانگر تلفیق مکانیک سیالات، مهندسی واکنش، سینتیک فیزیکی، انتقال گرما، انتقال جرم و الکترومغناطیس است. ماژول پلاسما ابزاری تخصصی برای مدل سازی تخلیه های غیر تعادلی و تعادلی است که در طیف گسترده ای از رشته های مهندسی رخ می دهد.

ماژول پلاسما از مجموعه ای از رابط های فیزیک تشکیل شده است که امکان مدل سازی سیستم های دلخواه ، مجموعه ای از نمونه های مستند و یک کتابچه راهنما را فراهم می کند. مخاطبان مورد نظر، محققان و مهندسان با سابقه فیزیک تخلیه های دمای پایین هستند.

کاربردهای پلاسما در علم و تکنولوژی

انواع مختلفی از پلاسما وجود دارد که به طور معمول مورد توجه است. تفاوت اصلی بین پلاسماها این است که مکانیسم انتقال انرژی بین الکترونها و میدان ها متفاوت است. در این بخش انواع پلاسما به صورت زیر مورد بحث قرار می گیرد:

  • تخلیه های جریان مستقیم
  • پلاسماهای به طور القایی تزویج شده
  • پلاسماهای به صورت خازنی تزویج شده
  • پلاسماهای میکروموج
  • رسوب بخار شیمیایی تقویت شده با پلاسما
  • تخلیه های سد دی الکتریک
  • کندوپاش مگنترونی و پیشرانه های فضایی
  • تخلیه های تعادلی

 

تخلیه های جریان مستقیم

تخلیه جریان مستقیم (DC) از طریق انتشار الکترون ثانویه در کاتد به دلیل بمباران یونی پایدار است. الکترونهای خارج شده از کاتد از طریق منطقه سقوط کاتد در قسمت عمده پلاسما تسریع می شوند. آنها ممکن است انرژی کافی برای یونیزه کردن گاز پس زمینه بدست آورند و یک جفت الکترون-یون جدید ایجاد کنند. الکترون به آند راه می یابد در حالی که یون به کاتد مهاجرت می کند ، جایی که ممکن است یک الکترون ثانویه جدید ایجاد کند. بدون احتساب انتشار الکترون ثانویه ، امکان تخلیه DC وجود ندارد. چندین منطقه مجزا معمولاً در تخلیه DC وجود دارد که بستگی به شرایط خاص کاری و هندسه سیستم دارد. یک سیستم تخلیه معمولی DC در زیر نشان داده شده است. درخشش کاتد (اغلب به افت کاتدی معروف است) جایی است که بیشتر افت ولتاژ رخ می دهد. افت کاتدی منطقه ای است که به دلیل یونیزاسیون زیاد، جریان تخلیه با افزایش سریع همراه است .چگالی و شار الکترون در این منطقه به صورت نمایی رشد می کند (Ref. 5). ناحیه درخشش منفی و مناطق فضایی فارادی ، ناحیه درخشش کاتد را به ستون مثبت متصل می کنند. در این منطقه به دلیل ضعیف بودن میدان الکتریکی، دمای الکترون به سرعت کاهش می یابد. در ناحیه ستون مثبت ، تخلیه بسیار یکنواخت است و جفت الکترون-یون تولید شده در جهت شعاعی به سمت دیواره ها، در اثر میدان دو قطبی از بین می رود (Ref. 5).

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

مهمترین مناطق در تخلیه DC معمولی

تخلیه های DC می توانند به راحتی قوس بزنند ، خصوصاً در فشارهای بالا. قوس زدن معمولاً نامطلوب است ، بنابراین ، در عمل ، یک مقاومت بالا یا مدار RC سری بین منبع تغذیه و کاتد قرار می گیرد. با افزایش جریان تخلیه در کاتد ، ولتاژ اعمال شده در کاتد به دلیل وجود مدار RC شروع به افت می کند. اگر مقاومت به اندازه کافی بالا باشد، تخلیه DC صاف و یکنواخت باقی می ماند و شروع به قوس نمی کند. دامنه فشار برای تخلیه DC معمولاً در محدوده 10 پاسکال تا فشار اتمسفر است و ولتاژ اعمال شده معمولاً چند صد ولت تا چندین کیلو ولت است.

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

شماتیک ستون مثبت در تخلیه DC به همراه یک مدار خارجی. مقاومت و خازن از قوسی شدن تخلیه جلوگیری می کند.

 

پلاسماهای به طور القایی تزویج شده

پلاسمای همراه با القا (ICP) اولین بار در دهه 1960 به عنوان پلاسمای حرارتی در تجهیزات پوشش استفاده شد]4[.  این دستگاهها در فشارهای کمتر از 1/0 اتمسفر کار می کردند و دمای گاز به میزان 10،000 کلوین تولید می کردند. در دهه 1990 ، ICP به عنوان روشی برای ساخت ویفرهای بزرگ نیمه هادی در صنعت پردازش فیلم محبوب شد. این پلاسما ها در رژیم کم فشار از 0.002-1 تور کار می کنند و در نتیجه دمای گاز نزدیک به دمای اتاق باقی می ماند. فشار کم در ICP جذاب است، زیرا پلاسمای نسبتاً یکنواختی را در حجم زیاد فراهم می کند. چگالی پلاسما نیز زیاد است ، در حدود 1018 بر متر مکعب ، که منجر به یک جریان یونی قابل توجه به سطح ویفر می شود. سپرهای فارادی، اغلب برای کاهش اثر کوپلینگ خازنی بین پلاسما و سیم پیچ محرک اضافه می شوند. این امر باعث کاهش اثر بمباران یونی بر روی پنجره دی الکتریک می شود که می تواند منجر به تخریب و آلودگی محفظه شود. برخی از تنظیمات معمول ICP در شکل زیر نشان داده شده است.

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

طرحی از پیکربندی های معمول ICP که در صنعت پردازش نیمه هادی استفاده می شود.

                                                   

از دیدگاه الکتریکی ، پلاسمای تزویج شده القایی مانند ترانسفورماتورها عمل می کنند و سیم پیچ محرک به عنوان اولیه و پلاسما به عنوان ثانویه عمل می کنند. جریانی که از سیم پیچ عبور می کند، جریانی را در پلاسما القا می کند و باعث می شود الکترون ها در جهت مخالف جریان سیم پیچ جریان داشته باشند. این، به نوبه خود، یک جریان مخالف را در سیم پیچ ایجاد می کند. سیم پیچ و پلاسما به شدت بهم پیوسته­اند. گرمایش الکترونها فقط در عمق پوست پلاسما اتفاق می افتد. طراحی و فرکانس کارکرد سیم پیچ باید به گونه ای باشد که پلاسما نسبت به حجم راکتور یکنواخت باشد. غالباً این بدان معناست که نیرو باید تا حد ممکن به طور یکنواخت در داخل پلاسما رسوب کند.

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

پلاسمای القایی. دمای الکترون به صورت پلات های تکه ای و  چگالی جریان القا شده در پلاسما به صورت خطوط معمولی نشان داده شده است. پلاسما از طریق یک سیم پیچ تک مارپیچ مستطیلی ایجاد و پایدار می شود.

پلاسماهای به صورت خازنی تزویج شده

از پلاسمای تزویج شدۀ خازنی (CCP) اغلب در صنعت نیمه رسانا برای رسوب فیلم­های دی الکتریک روی ویفرهای نیمه هادی استفاده می شود. یک پیکربندی معمول CCP در زیر نشان داده شده است. برخلاف تخلیه DC ، الکترودها توسط یک ماده دی الکتریک پوشانده می شوند که به دلیل جمع شدن بارهای مثبت یا منفی ، باردار می شود. با تحریک الکترودها با ولتاژ سینوسی، معمولاً در فرکانس های مختلف از 100 کیلوهرتز تا 100 مگاهرتز ، تخلیه می تواند بدون نیاز به انتشار الکترون ثانویه ، خود را حفظ کند (Ref. 4). این به این دلیل است که الکترون ها بسیار سبک هستند، بنابراین تقریباً بلافاصله به میدان الکتریکی پاسخ می دهند. این امکان، انتقال انرژی از میدان به الکترونهایی را فراهم می کند که مسئول نگهداری پلاسما هستند. حجم یونها بسیار بیشتر از الکترونها است، بنابراین آنها فقط به متوسط زمانی میدان الکتریکی پاسخ می دهند. مکانیسم انتقال توان از میدان به الکترون ها یک فرایند کاملا غیرخطی است که در فرکانسهایی غیر از دو برابر فرکانس زاویه ای رخ می دهد.

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

شرایط معمول کار برای پلاسما های کوپلینگ خازنی ، ولتاژهای 100-1000 ولت ، فشارهای 2 تا 200 پاسکال ، تراکم الکترون در منطقه 1015-1017 بر متر مکعب و دمای الکترون به ترتیب 2 تا 20 الکترون ولت است. فرکانس عملکرد معمولاً 13.56 مگاهرتز است که یکی از فرکانس های رزرو شده در سراسر جهان برای مصارف صنعتی ، علمی و پزشکی است.

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

رسوب توان در چندین فرکانس مختلف اتفاق می افتد که نشان دهنده مکانیسم پیچیده انتقال توان از میدان ها به الکترون ها است.

 

پلاسماهای میکروموج

پلاسمای مایکروویو یا تخلیه ایجاد شده توسط موج ، هنگامی پایدار می ماند که الکترون بتواند از طریق موج الکترومغناطیسی انرژی کافی را در هنگام نفوذ به پلاسما بدست آورد. فیزیک یک پلاسمای مایکروویو بسته به اینکه حالت TE (میدان الکتریکی خارج از صفحه) یا حالت TM (میدان الکتریکی درون صفحه ای) در حال انتشار باشد ، کاملاً متفاوت است. در حالت متقارن محور 2D ، حالت TE به این معنی است که فقط جزء قطبی میدان الکتریکی محاسبه می شود و حالت TM به معنی محاسبه اجزای داخل صفحه ، r و z میدان الکتریکی است. در هر دو حالت امکان نفوذ موج الکترومغناطیسی به مناطقی از پلاسما وجود ندارد که چگالی الکترون از چگالی الکترون بحرانی فراتر رفته باشد (حدود 1016 x 7.6 بر متر مکعب برای آرگون در 2.45 گیگاهرتز). در این کانتور مطابق با چگالی الکترون بحرانی ، موج از شروع انتشار به اوج خود می رسد. این بدان معنی است که کل قدرت حاصل از موج در یک منطقه بسیار کوچک در فضا جذب می شود، که می تواند مدل را از نظر عددی ناپایدار کند. دامنه فشار برای پلاسمای مایکروویو بسیار گسترده است. برای پلاسمای رزونانس سیکلوترون الکترونی (ECR) ، فشار می تواند در حد 1 پاسکال یا کمتر باشد. برای پلاسمای غیر ECR فشار معمولاً از 100 پاسکال تا فشار جوی متغیر است. توان، می تواند از چند وات تا چند کیلووات باشد. پلاسمای مایکروویو به دلیل ارزان بودن توان مایکروویو، محبوب هستند.

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

میدان الکتریکی (سطح) و چگالی الکترون بحرانی (کانتور سفید) در پلاسمای مایکروویو با پیکربندی متقابل.

 

 

 

 

 

 

رسوب بخار شیمیایی تقویت شده با پلاسما

رسوب بخار شیمیایی تقویت شده با پلاسما (PECVD)، تخلیه ای است که در یک گاز واکنش پذیر عمل می کند. این ماده به عنوان جایگزینی برای رسوب بخار شیمیایی سنتی استفاده می شود ، زیرا می تواند گونه های رادیکال مورد نیاز برای شروع روند رسوب را بسیار کارآمد و بدون نیاز به دمای گاز بسیار بالا، تولید کند. در صورت رسوب سیلیکون در یک پلاسمای سیلان، واکنشهای الکترون می توانند سیلان را به هیدریدهای سیلیکون واکنش پذیر و گاز هیدروژن جدا کنند. به همان اندازه واکنش های فاز گاز ، مجموعه پیچیده ای از واکنش های شیمیایی است که در سطح ویفر اتفاق می افتد. راکتورهای معمولی PECVD پلاسمای تزویج شده القایی هستند ، اما می توان از تخلیه مایکروویو نیز استفاده کرد.

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

مدل PECVD رسوب سیلیکون بر روی ویفر (سطح) از پلاسمای سیلان. سیلان از سر دوش در قسمت بالا تغذیه می شود و به دلیل وجود الکترون هایی که از طریق گرمایش القایی پایدار می مانند ، به گونه های رادیکالی شکسته می شود.

 

تخلیه های سد دی الکتریک

تخلیه سد دی الکتریک (DBD) کاربردهای زیادی از جمله تولید نور برای نمایشگرهای پلاسما و LCD ، تولید ازن و اصلاح سطح دارد. اصول کار برای تخلیه سد دی الکتریک به شرح زیر است: یک شکاف کوچک وجود دارد که با گاز در بین دو صفحه دی الکتریک پر شده است. شکاف بین دو صفحه دی الکتریک به طور معمول کمتر از یک میلی متر است. در یکی از صفحات دی الکتریک ولتاژ سینوسی اعمال می شود. صفحه دیگر از نظر الکتریکی زمین شده است. با افزایش ولتاژ وارد شده به صفحه بالایی، میدان الکتریکی در شکاف بین صفحات افزایش می یابد. هر الکترون آزاد در شکاف تسریع خواهد شد و اگر میدان الکتریکی به اندازه کافی قوی باشد ، انرژی کافی برای ایجاد یونیزاسیون بدست می آورد. این می تواند منجر به یک اثر آبشار (cascade effect) شود که در آن تعداد الکترون ها در شکاف به طور نمایی در مقیاس زمانی نانو ثانیه افزایش می یابد. الکترونهایی که از طریق یونیزاسیون برخورد الکترون ایجاد می شوند به سمت یکی از صفحات دی الکتریک می روند ، در جهت مخالف میدان الکتریکی. تعداد یونهای مساوی نیز در طی یونیزاسیون برخورد الکترون ایجاد می شود (الکترونها و یونها باید برای حفظ تعادل بار کلی در جفتهای مساوی ایجاد شوند). یونها هم جهت با میدان الکتریکی به سمت صفحه دی الکتریک مخالف هجوم می آورند. در نتیجه، بار سطحی با علامت مخالف روی هر دو صفحه دی الکتریک جمع می شود. این امر باعث می شود که میدان الکتریکی، از شکاف پرشده با گاز، محافظت شود. در حقیقت ، میدان الکتریکی در عرض شکاف نمی تواند از میدان الکتریکی شکست ، که وابستگی زیادی به فشار گاز و زمینه دارد ، فراتر رود. میدان الکتریکی شکست نیز تابعی از خصوصیات سطح ماده دی الکتریک است. تجمع بار سطحی به طور موقت تخلیه را خاتمه می دهد تا زمانی که میدان در جهت معکوس شود، و روند در جهت مخالف تکرار شود.

 

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

تخلیه سد دی الکتریک: نمودار کسر جرمی اتم های آرگون با تحریک الکترونیکی در تخلیه سد دی الکتریک. محور x نشان دهنده فضا و محور y نشان دهندۀ زمان است. فرکانس اعمال شده 10 کیلوهرتز است.

 

تخلیه سد دی الکتریک به طور معمول در محدوده فشار 0.1-3 اتمسفر با ولتاژ اعمال شده 1-100 کیلوولت و فرکانس کیلو هرتز تا مگاهرتز کار می کنند. موانع دی الکتریک معمولاً از کوارتز ، شیشه یا مواد سرامیکی ساخته می شوند. فاصله الکترودها معمولاً کم است و از 100 میکرومتر تا چند میلی متر متغیر است.

 

 

 

 

 

کندوپاش مگنترونی و پیشرانه های فضایی

مگنترون ها و رانشگرهای فضایی اساساً تخلیه های DC هستند که به کمک یک میدان مغناطیسی ساکن ایجاد می شوند. هنگامی که فشار به اندازه کافی کم است (کمتر از حدود 1 پاسکال) ، میدان مغناطیسی می تواند الکترون ها را به دام بیندازد ، بنابراین آنها به جای اینکه به سمت دیواره ها فرار کنند ، توسط خطوط میدان مغناطیسی محدود می شوند. به دام انداختن الکترونها منجر به برخورد بیشتر با گاز پس زمینه، یونیزاسیون و چگالی پلاسمایی  بیشتر از آنچه در چنین فشارهای کم انتظار می رود ، می شود. ولتاژهای اعمال شده معمولا 500 ولت و در نتیجه جریانهای پلاسما آمپر هستند. چگالی شار مغناطیسی معمولاً در حد 0.01-0.15 تسلا است. مدل سازی تخلیه های مغناطیسی فشار ضعیف بسیار چالش برانگیز است، در واقع بیشتر کاربردهای عملی فراتر از توانایی های فعلی ماژول پلاسما است. به محدودیت های ماژول پلاسما در زیر مراجعه کنید.

 

تخلیه های تعادلی

تخلیه های تعادلی (که بعضاً پلاسمای حرارتی نامیده می شوند) طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی شامل: برش ، جوشکاری ، پاشش ، تخریب زباله و اصلاح سطح دارند. تحت تعادل ترمودینامیکی موضعی LTE ، می توان پلاسما را یک مخلوط سیال رسانا دانست و بنابراین با استفاده از معادلات مگنتوهیدرودینامیک (MHD) مدل سازی می شود. دمای الکترون برابر با دمای گاز پس زمینه فرض می شود. تخلیه های تعادلی در قیاس با روشهای دیگر، رفتار متفاوتی دارند. ترکیب شیمیایی پلاسما محاسبه نمی شود ، بلکه فقط دمای گاز و میدان های الکتریکی محاسبه می شود.. گاهی اوقات سرعت گاز پس زمینه و فشار گاز نیز محاسبه می شود. این مدل ها باعث می شوند تا بارهای حرارتی روی سطوح به روشی کارآمدتر و پایدارتر نسبت به مدل تخلیه غیر تعادلی، محاسبه شود.

مدلسازی پلاسما:

سه روش به طور معمول برای مدل سازی پلاسما وجود دارد. همه روشها اساساً شامل حل یک معادله ترابرد مناسب همراه با معادلات ماکسول است.

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

روش Kinetic با حل معادله بولتزمن یا حل یک معادله تقریب ، مانند معادله فوکر-پلانک ، برای توزیع یونها و الکترونهای یک پلاسما حل می شود. تابع توزیع همچنین می تواند با استفاده از یک روش لاگرانژی محاسبه شود ، جایی که معادلات دیفرانسیل معمولی برای موقعیت و سرعت الکترون حل می شوند ، همانطور که در کد (PIC) وجود دارد. مزیت این روش این است که این امکان را برای عملکرد توزیع انرژی الکترون در فضای انرژی ایجاد می کند و همچنین می تواند اثراتی را نشان دهد که توسط مدل های سیال گرفته نمی شوند. اشکالاتی که در این زمینه وجود دارد شامل مشکلات مربوط به اجرای شیمی های دلخواه پلاسما و هزینه بالای محاسباتی است.

تقریب سیالی با در نظر گرفتن فرم خاصی از تابع توزیع و گرفتن ممان های سرعت معادله بولتزمن ، پلاسما را از نظر کمیت­های ماکروسکوپی توصیف می کند. این منجر به مجموعه ای از معادلات دیفرانسیل جزئی جفت شده می شود که با استفاده از روش المان محدود قابل حل است. ماژول پلاسما از تقریب سیالی استفاده می کند. از مزایای تقریب سیالی این است که برای حل معادلات بدست آمده، کارآمد است و برای تعریف شیمی های پیچیده و دلخواه پلاسمای سرراست است. همچنین می توان دینامیک الکترون را با میدانهای الکترومغناطیسی که با استفاده از روش المان محدود نیز محاسبه می شوند ، کوپل کرد.

  • روشهای ترکیبی برخی از اجزای یک پلاسما را به عنوان سیال و برخی دیگر را به صورت جنبشی انجام می­دهند. معمولاً الکترونها با حل معادله فاکر-پلانک یا استفاده از روش مونت کارلو به صورت پویایی پردازش می شوند و یونها و سایر گونه های رادیکال با استفاده از مدل سیال محاسبه می شوند. از این لحاظ ، روشهای ترکیبی، بین مدلهای جنبشی و سرعت و مدلهای سیال یک سازگاری را ارائه می دهند.

مدل سازی تعامل (برهم کنش) بین پلاسما و یک مدار خارجی، قسمت مهمی از درک خصوصیات کلی یک تخلیه است. این ماژول دارای ابزارهایی برای افزودن مستقیم عناصر مدار به مدل 1D ، 2D یا 3D یا اعمال یک SPICE Netlist موجود، در مدل است. شیمی پلاسما یا با بارگذاری مجموعه ای از سطح مقاطع برخورد از یک پوشه و یا با افزودن واکنش ها و گونه ها به Model Builder مشخص می شود.

راهنمای فیزیک:

پیچیدگی مدل سازی پلاسما در این واقعیت نهفته است که ترکیبی از عناصر مهندسی واکنش ، فیزیک آماری ، مکانیک سیالات ، سینتیک فیزیکی ، انتقال گرما ، انتقال جرم و الکترومغناطیس است. نتیجه خالص یک مسئله چند فیزیکی واقعی است که شامل اتصال پیچیده بین فیزیک های مختلف است. این ماژول برای ساده سازی روند تنظیم مدل سازگار با خود از یک پلاسمای دمای پایین طراحی شده است.

 

رابط های فیزیک شامل تمام ابزارهای لازم برای مدل سازی تخلیه های پلاسما است ، شروع با یک معادله بولتزمن ، تقریب حل کننده دو-دوره ای که خصوصیات ترابرد الکترون و ضرایب منبع را از مجموعه سطح مقطع های برخورد الکترون محاسبه می کند. این رابط امکان تعیین بسیاری از خصوصیات جالب دشارژ را با تأمین خواص ورودی مانند میدان الکتریکی و واکنشهای الکترون که شیمی پلاسما را تشکیل می دهند ، بدون حل مسئله وابسته به فضا امکان پذیر می سازد.

برای مدل های وابسته به فضا ، واکنش ها و گونه هایی که شیمی پلاسما را تشکیل می دهند به راحتی در مدل ساز مدیریت می شوند. هنگامی که سرعت سیال و دمای گاز مورد توجه باشد ، رابط های فیزیکی برای جریان آرام و انتقال گرما در دسترس هستند. گزینه های مختلفی در هنگام اتصال گونه های باردار به میدان های الکترومغناطیسی در دسترس است.

 

 

 

 

لیست رابط فیزیک براساس بعد فضایی و نوع مطالعه از پیش تعیین شده

PHYSICS INTERFACE ICON TAG SPACE AVAILABLE STUDY TYPE
DIMENSION
AC/DC
Electrical Circuit Cir Not space stationary; frequency
dependent domain; time dependent;
small signal analysis,
frequency domain
Electrostatics1 Es all dimensions stationary; time dependent;
stationary source sweep

 

PHYSICS INTERFACE ICON TAG SPACE AVAILABLE STUDY TYPE
DIMENSION
Fluid Flow
Single-Phase Flow
Laminar Flow1 spf 3D, 2D, 2D stationary; time dependent
axisymmetric
Plasma
Boltzmann Equation, be 0D mean energies; reduced
Two-Term Approximation electric fields
Plasma, Time Periodic ptp 1D, 2D time periodic; time periodic
axisymmetric to time dependent
Plasma plas all dimensions time dependent
Corona Discharge4 all dimensions stationary
Inductively Coupled 3D, 2D, 2D frequency-transient
Plasma2, 4 axisymmetric.
Microwave Plasma3, 4 3D, 2D, 2D frequency-transient
axisymmetric
Electrical Breakdown ebd 3D, 2D, 2D time dependent
Detection axisymmetric
Equilibrium Discharges
Equilibrium DC 3D, 2D, 2D stationary; time dependent
Discharge4 axisymmetric
Combined Inductive/ 3D, 2D, 2D frequency-transient
DC Discharge2,4 axisymmetric
Equilibrium Inductively 3D, 2D, 2D frequency-transient
Coupled Plasma2,4 axisymmetric
Species Transport
Drift Diffusion dd all dimensions time dependent

 

رابط AC/DC:

فصل مربوط به شاخۀ AC / DC  دو رابط فیزیک موجود با این ماژول را در زیر شاخه AC / DC در Model Wizard شرح می دهد. از رابط الکترواستاتیک برای محاسبه میدان الکترواستاتیک در پلاسمای ناشی از جدا شدن بار فضایی بین الکترونها و یونها استفاده کنید. ماژول پلاسما رابط کاربری ارائه شده با مجوز اولیه COMSOL را افزایش می دهد.

 

رابط های جریان سیال

 

Fluid Flow Branch رابط Laminar Flow را توصیف می کند که در مقایسه با مجوز اصلی ، چند ویژگی اضافی برای این ماژول در دسترس دارد.

 

معادله BOLTZMANN ، رابط تقریبی دو دوره ای

رابط تقریب دو زمانه معادله بولتزمن، تابع توزیع انرژی الکترون (EEDF) را از مجموعه سطح مقطع برخورد برای برخی شرایط تخلیه معمولی محاسبه می کند. قبل از حل یک مدل وابسته به فضای کامل، از رابط می توان به عنوان مرحله پیش پردازش استفاده کرد. هدف اصلی این رابط محاسبه ضرایب منبع الکترون و خواص ترابرد است.

رابط DIFFUSION DRIFT

از رابط Drift Diffusion برای محاسبه چگالی الکترون و میانگین انرژی الکترون برای هر نوع پلاسما استفاده می شود. طیف گسترده ای از شرایط مرزی برای رسیدگی به انتشار ثانویه ، انتشار حرارتی و از بین رفتن دیواره در دسترس است. این رابط به ندرت نیاز به استفاده از خود دارد زیرا بخشی از رابط های خاص برنامه را که بعداً توصیف می­شود ، تشکیل می دهد.

 

ترابرد بار

رابط Charge Transport چگالی حامل های بار را در یک گاز پس زمینه محاسبه می کند با این فرض که ترابرد توسط مهاجرت غالب است. این معمولاً، فقط به عنوان بخشی از رابط چند فیزیکی تخلیه کرونا استفاده می شود (به زیر مراجعه کنید).

 

رابط ترابرد ذرات سنگین

رابط Heavy Species Transport یک معادله تعادل جرم را برای همه گونه های غیر الکترون حل می کند. این شامل گونه های باردار ، خنثی و برانگیخته الکترونیکی است. این رابط همچنین به شما امکان می دهد از طریق Model Builder واکنش های تأثیر الکترون ، واکنش های شیمیایی ، واکنش های سطح ، گونه های حجمی و گونه های سطحی را اضافه کنید. این رابط به ندرت نیاز به استفاده از خود دارد زیرا بخشی از رابط های خاص برنامه را که بعداً توصیف شد ، تشکیل می دهد.

 

ردیابی شکست شکست الکتریکی

رابط های تشخیص شکست الکتریکی از یک روش تقریبی برای تعیین اینکه آیا شکست الکتریکی در یک طراحی خاص با ادغام ضرایب رشد Townsend در امتداد خطوط میدان الکتریکی رخ می دهد ، استفاده می کند.

 

رابط های خاص برنامه

ماژول پلاسما چهار رابط چند فیزیکی خاص برای مدل سازی متداول ترین انواع تخلیه فراهم می کند.

پلاسما

از رابط پلاسما می توان برای مدل سازی ستون های مثبت ، تخلیه های روشن و تخلیه های کرونا استفاده کرد. کوپل پیچیده بین ترابرد الکترون ، ترابرد گونه های سنگین و میدان الکترواستاتیک به طور خودکار توسط نرم افزار انجام می شود. علاوه بر این ، شار انتشار ثانویه ناشی از بمباران یونی بر روی یک الکترود به طور خودکار محاسبه می شود و در شرایط مرزی الکترون­ها، استفاده می شود.

پلاسما ، دوره زمانی

از رابط Time Periodic Plasma, می توان برای مدلسازی پلاسما بهمراه ظرفیت خازنی استفاده کرد. به جای حل مسئله در حوزه زمان ، راه حل دوره­ای حالت پایدار محاسبه می شود. با این کار لازم نیست ده ها یا صدها هزار چرخه RF حل شود ، و این معمولاً مدت زمانی است که طول می­کشد تا پلاسما به حل دوره ای ثابت برسد. این رویکرد جدید ضمن کاهش چشمگیر زمان محاسبه ، تمام غیر خطی بودن مدل را حفظ می کند. رابط فیزیک با پیوستن یک بعد اضافی به معادلات ریاضی زیربنایی که یک چرخه RF را نشان می دهد و اجرای شرایط مرزی دوره ای در بعد اضافی فوق الذکر ، این کار را انجام می دهد.

 

پلاسما به صورت القایی کوپل شده

از رابط پلاسما کوپل شدۀ القایی می توان برای مدل سازی تخلیه های پایدار از طریق جریان های القایی استفاده کرد. این تخلیه ها معمولاً در محدوده فرکانس مگاهرتز کار می کنند. پلاسمای تزویج شده القایی (ICP) در پردازش پلاسما و منابع پلاسما مهم است زیرا چگالی پلاسما می تواند به میزان قابل توجهی بیشتر از تخلیه های خازنی باشد. با توجه به اینكه جریانهای القایی را می توان در حوزه فركانس حل كرد ، از نظر مدل سازی ، پلاسماهای تزویج شده القایی نیز جذاب هستند. این بدان معناست که چرخه RF اعمال شده بر روی سیم پیچ محرک ، نیازی به صراحت حل هنگام حل ندارد. بدین ترتیب ، در مراحل نسبتاً کمی از راه حل شبه حالت پایدار حاصل می شود.

 

MICROWAVE PLASMA

از رابط مایکروویو پلاسما می توان برای مدل سازی تخلیه هایی که از طریق گرم شدن الکترون ها به دلیل امواج الکترومغناطیسی ، استفاده کرد. این تخلیه ها معمولاً در محدوده فرکانس گیگاهرتز کار می­کنند. تخلیه های همراه با موج معمولاً به دو دسته تقسیم می شوند: تخلیه بدون میدان مغناطیسی DC خارجی و تخلیه با میدان مغناطیسی استاتیک با شدت بالا. اگر یک میدان مغناطیسی با ولتاژ DC بالا وجود داشته باشد، رزونانس سیکلوترون الکترونی (ECR) می تواند در جایی که الکترونها به طور مداوم از میدان الکتریکی طی یک دوره RF انرژی دریافت می کنند ، رخ دهد. مدلسازی پلاسمای مایکروویو شامل حل معادلات چگالی الکترون ، میانگین انرژی الکترون ، گونه های سنگین ، پتانسیل الکترواستاتیک و میدان الکتریکی با فرکانس بالا است. میدان الکتریکی با فرکانس بالا در حوزه فرکانس محاسبه می شود و تلفات از طریق یک رسانایی پیچیده پلاسما وارد می شود.

 

تخلیه کرونا

رابط تخلیه کرونا از یک مدل ترابرد بار ساده شده همراه با الکترواستاتیک برای ارائه روش تقریبی محاسبه چگالی بار و میدان الکترواستاتیک در تخلیه های کرونا استفاده می کند.

پلاسمای تعادلی همراه با تزویج القایی

از رابط چند فیزیکی پلاسما به هم پیوسته تعادلی برای مطالعه تخلیه های تعادلی که توسط جریان های القایی پایدار هستند ، به عنوان مثال در مشعل های پلاسما به صورت القایی، استفاده می شود. این رابط چند فیزیکی به این رابط های فیزیکی منفرد اضافه می شود: زمینه های مغناطیسی ، انتقال حرارت در مایعات و جریان آرام. کوپلینگ های (اتصالات) چند فیزیکی شرایط مرزی خاصی را برای مدل سازی یون و گرمایش الکترون در مرزهای پلاسما و همچنین گرمایش و خنک سازی پلاسمای تعادل با انتقال آنتالپی ، گرمایش ژول و از دست دادن تابش ایجاد می کنند. کوپلینگ های چند فیزیکی همچنین نیروهای لورنتس را به مدل هیدرودینامیک اضافه می کنند.

 

تخلیه EQUILIBRIUM DC

رابط چند فیزیکی تخلیه تعادلی DC  برای مطالعه تخلیه های تعادلی استفاده می شود که توسط یک میدان الکتریکی ساکن (یا متغیر آرام) که جریان های القایی و اثرات جریان سیال ناچیز است ، پایدار می مانند. این رابط چند فیزیکی یک رابط جریان الکتریکی و یک رابط انتقال حرارت در مایعات را اضافه می­کند. کوپلینگ های چند فیزیکی شرایط مرزی خاصی را برای مدل سازی یون و گرمایش الکترون در مرزهای پلاسما و همچنین گرمایش و خنک سازی پلاسمای تعادلی با انتقال آنتالپی ، گرمایش ژول و از دست دادن تابش ایجاد می کنند.

 

 

تخلیۀ ترکیبی القایی / DC

از رابط چند فیزیکی تخلیه القایی / DC برای مطالعه تخلیه های تعادلی استفاده می شود که توسط جریان القایی و میدان الکتریکی ساکن (به آرامی تغییر می کنند) ، به عنوان مثال ، در شبیه سازی های جوشکاری قوس پایدار هستند. این رابط چند فیزیکی به این رابط های فیزیکی منفرد اضافه می شود: جریان های الکتریکی ، میدان های مغناطیسی ، انتقال حرارت در مایعات و جریان آرام. کوپلینگ های چند فیزیکی شرایط مرزی خاصی را برای مدل سازی یون و گرمایش الکترون در مرزهای پلاسما و همچنین گرمایش و خنک سازی پلاسمای تعادل با انتقال آنتالپی ، گرمایش ژول و از دست دادن تابش ایجاد می کنند. اتصالات چند فیزیکی همچنین جریان القایی و الکترواستاتیک و همچنین نیروهای لورنتس را به مدل هیدرودینامیک ترکیب می کنند.

محدودیت های ماژول پلاسما

ماژول پلاسما در حال حاضر نمی تواند مغناطیس ها و رانشگرهای فضایی را مدل کند زیرا تحرک و نفوذپذیری الکترون عمود در مقابل میدان عرضی می تواند از مرتبه 108 باشد. این چالش های عددی شدیدی را ایجاد می کند و به طور حتم انتشار عددی غیر فیزیکی در خطوط میدان مغناطیسی وجود دارد. به همین ترتیب ، یک مدل کاملاً خود سازگار از thruster Hall یا مگنترون در حال حاضر امکان پذیر نیست ، گرچه هنوز هم می توان بینش ارزشمندی در مورد فیزیک کسب کرد.

تخلیه آرگون در سلول مرجع GEC

سلول GEC توسط NIST به منظور ایجاد یک بستر استاندارد برای مطالعات تجربی و مدل سازی تخلیه­ها در آزمایشگاه های مختلف معرفی شد. پلاسما از طریق گرمایش القایی پایدار می ماند. سلول مرجع در این حالت به عنوان یک پلاسمای کوپل شده القایی عمل می کند.

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

هندسه راکتور GEC ICP متشکل از یک سیم پیچ مسی 5 دور ، حجم پلاسما ، دی الکتریک و ویفر با پایه.

تخلیه های القایی به طور معمول در فشارهای کم (<Pa 10) و چگالی بار زیاد (> m-3 1017) کار می کنند. منابع پلاسما با چگالی بالا محبوب هستند زیرا بمباران یونی در فشار پایین می تواند درجه ناهمسانگردی بیشتری را در سطح ویفر ایجاد کند.

از آنجا که فیزیکی که در یک پلاسمای اتصال القایی رخ می دهد بسیار پیچیده است ، بنابراین همیشه بهتر است یک پروژه مدل سازی با یک مکانیسم شیمیایی ساده شروع شود. آرگون یکی از ساده ترین مکانیزم های پیاده سازی در فشارهای کم است.

حالت های برانگیخته الکترونیکی را می توان به یک گونه واحد تبدیل کرد ، که منجر به ایجاد یک مکانیزم شیمیایی می شود که فقط شامل 3 گونه و 7 واکنش است:

لیست واکنشهای شیمیایی پلاسمای حجمی در نظر گرفته شده

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

یونیزاسیون گام به گام (واکنش 5) می تواند نقش مهمی در حفظ تخلیه آرگون با فشار کم داشته باشد. اتمهای آرگون برانگیخته از طریق برخورد سوپرالاستیک با الکترونها ، خاموش شدن با اتمهای خنثی آرگون و یونیزاسیون یا یونیزاسیون پنینگ در جایی که دو اتم آرگون قابل تبدیل به یک اتم آرگون خنثی ، یک یون آرگون و یک الکترون واکنش می دهند ، مصرف می شوند. علاوه بر واکنش های حجمی ، واکنش های سطح زیر نیز انجام می شود:

لیست واکنشهای سطح در نظر گرفته شده

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

هنگامی که یک اتم آرگون ناپایدار با دیوار تماس پیدا کند ، با برخی از احتمالات (ضریب چسبندگی) به اتم حالت آرگون تبدیل می شود.

از نظر الکتریکی ، راکتور GEC مانند ترانسفورماتور رفتار می­کند. یک جریان به سیم پیچ محرک (اولیه) وارد می شود و این باعث ایجاد جریانی در پلاسما (ثانویه) می شود. سپس پلاسما جریان متضادی را در سیم پیچ ایجاد می کند و مقاومت آن را افزایش می دهد. جریان جاری در پلاسما به جریان اعمال شده بر روی سیم پیچ و سینتیک واکنش بستگی دارد. جریان کل پلاسما می تواند از هیچ جریانی (پلاسما پایدار نیست) به همان جریان اولیه که مربوط به اتصال کامل بین سیم پیچ و پلاسما است ، متفاوت باشد. در این مثال ، سیم پیچ با قدرت ثابت 1500 وات رانده می شود.

اولین قدم برای ساخت یک مدل این است که COMSOL را باز کنید و سپس نوع تجزیه و تحلیل مورد نظر خود را مشخص کنید – در این حالت ، یک تجزیه و تحلیل پلاسما به صورت القایی همراه با فرکانس. نوع مطالعه فرکانس گذرا به این معنی است که میدان الکترومغناطیسی با فرکانس بالا در دامنه فرکانس و سایر متغیرها در حوزه زمان محاسبه می شوند.

توجه: دستورالعمل­های این پایان نامه­ها مربوط به رابط کاربری در ویندوز است اما با تفاوت های جزئی در لینوکس و مک نیز اعمال می شود.

Model Wizard:

1 COMSOL مولتی فیزیک را باز کنید. در پنجره جدید ، روی دکمه Model Wizard کلیک کنید.

2 در پنجره Model Wizard ، روی دکمه 2D Axisymmetric کلیک کنید.

3 در درخت انتخاب فیزیک ، Plasma > Inductively Coupled Plasma را انتخاب کنید.

4 روی دکمه Add کلیک کنید.

5 روی دکمه Study کلیک کنید.

6 در درخت ، Frequency-Transient را انتخاب کنید.

7 روی Done کلیک کنید.

وارد کردن هندسه:

مرحله بعدی ایجاد هندسه شماست که می تواند از یک برنامه خارجی نیز وارد شود. COMSOL Multiphysics از بسیاری از برنامه های CAD و قالب های فایل پشتیبانی می کند. در این مثال ، توالی هندسه آماده شده را از یک فایل در قالب فایل COMSOL Multiphysics (.mph) وارد کنید. این پرونده شامل هندسه سلول مرجع GEC است.

محل نصب پرونده ها در این تمرین متفاوت است. به عنوان مثال ، اگر نصب بر روی هارد دیسک شما باشد ، مسیر پرونده ممکن است شبیه C: \ Program Files \ COMSOL \ COMSOL55 \ applications \ باشد.

1 در نوار ابزار Geometry ، روی Insert Sequence کلیک کنید.

2 به پوشه Plasma_Module \ Inductively_Coupled_Plasmas در زیر فهرست نصب COMSOL بروید و بر روی پرونده argon_gec_icp_geom.mph دوبار کلیک کنید.

3 روی دکمه Import کلیک کنید. هندسه باید در پنجره Graphics مانند شکل زیر نشان داده شود.

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

D e f i n i t i o n s:

1 در نوار ابزار Definitions ، روی Explicit کلیک کنید.

2 در پنجره تنظیمات ، در قسمت Label edit field ، Walls را تایپ کنید.

3 بخش ورودی های ورودی را پیدا کنید.

4 از فهرست Geometric entity ، Boundary. را انتخاب کنید.

5 به نوار ابزار Model desktop به تب Home بروید ، سپس Windows> Selection List را انتخاب کنید.

6 فقط مرزهای 6 ، 8 ، 35–38 ، 44 ، 45 و 51–56 را انتخاب کنید (با نگه داشتن شیفت نشان داده شده و کلیک روی لیست) ، سپس روی دکمه Add با انتخاب بعلاوه در بالای پنجره تنظیمات Selection List کلیک کنید. مرزهای انتخاب شده در پنجره گرافیکی به رنگ آبی در می آیند و این نشان دهنده تأیید انتخاب است.

7 دوباره روی برگه Model Builder کلیک کنید.

8 در نوار ابزار Definitions ، روی Explicit کلیک کنید.

9 در پنجره تنظیمات ، در قسمت Label edit field ، Coils را تایپ کنید.

10 بر روی تب Selection List کلیک کنید و فقط دامنه های 6 و 8–11 را انتخاب کنید ، سپس بر روی دکمه افزودن به انتخاب در بالای پنجره تنظیمات لیست انتخاب کلیک کنید.

11 دوباره روی برگه Model Builder کلیک کنید.

12 در نوار ابزار Definitions ، روی Explicit کلیک کنید.

13 در پنجره تنظیمات ، Coil Boundaries را در قسمت Label edit تایپ کنید.

14 بر روی تب Selection List کلیک کنید و فقط دامنه های 6 و 8–11 را انتخاب کنید ، سپس بر روی دکمه افزودن به انتخاب در بالای پنجره تنظیمات لیست انتخاب کلیک کنید.

15 دوباره روی برگه Model Builder کلیک کنید. در پنجره تنظیمات صریح ، قسمت Output Entities را پیدا کنید.

16 از لیست Output entities ، مرزهای مجاور را انتخاب کنید.

تنظیمات مربوط به انتخاب باید به شرح زیر باشد:

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

17 به نوار ابزار Model desktop بروید.

18 در نوار ابزار Home ، روی Parameters کلیک کرده و Parameters 1 را انتخاب کنید.

19 در پنجره تنظیمات پارامترها ، قسمت Parameters را پیدا کنید.

در جدول ، تنظیمات زیر را وارد کنید:

            آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

پلاسما  و میدان های مغناطیسی:

1 در پنجره Model Builder ، در بخش Component 1 روی گره Plasma کلیک کنید.

2 در پنجره تنظیمات ، بخش Properties Plasma را پیدا کرده و کادر استفاده از ویژگیهای انتقال الکترون را کاهش دهید.

3 روی پنجره Selection List کلیک کنید. فقط دامنه 3 را انتخاب کنید.

4 در پنجره Model Builder ، بر روی Plasma کلیک راست کرده و Cross section Import را انتخاب کنید.

5 در پنجره تنظیمات Cross Section Import ، بخش Cross Section Import را پیدا کنید.

6 روی دکمه Browse کلیک کنید.

7 به پوشه ماژول Application Library بروید و روی پرونده Ar_xsecs.txt  دوبار کلیک کنید.

اکنون شما دو واکنش منظم دیگر اضافه می کنید که نحوه برانگیختگی الکتریکی اتم های آرگون را در سطح حجمی توصیف می کنند. ضرایب سرعت برای این واکنش ها از رفرنس ها گرفته شده است.

1 در پنجره Model Builder ، بر روی Plasma کلیک راست کرده و تنظیمات دامنه را انتخاب کنید Heavy Species Transport> Reaction.

2 در پنجره تنظیمات واکنش ، بخش Reaction Formula را پیدا کنید.

3 در قسمت ویرایش فرمول ، Ars + Ars => e + Ar + Ar + را تایپ کنید. روی پنجره تنظیمات کلیک کنید.

4 بخش Kinetics Expressions را پیدا کنید. در قسمت ویرایش kf ، 8E3.734 را تایپ کنید.

5 در پنجره Model Builder ، بر روی Plasma کلیک راست کرده و تنظیمات دامنه را انتخاب کنید Heavy Species Transport> Reaction.

6 در پنجره تنظیمات واکنش ، بخش Reaction Formula را پیدا کنید.

7 در قسمت ویرایش فرمول ، Ars + Ar => Ar + Ar را تایپ کنید. روی پنجره تنظیمات کلیک کنید.

8 بخش Kinetics Expressions را پیدا کنید. در قسمت ویرایش kf ، 1807 را تایپ کنید.

هنگام حل هر نوع مشکل جریان واکنشی ، همیشه باید یک گونه وجود داشته باشد که برای تحقق محدودیت توده انتخاب شود. این باید به عنوان گونه ای با بیشترین کسر جرم در نظر گرفته شود.

1 در پنجره Model Builder ، در بخش Component 1> Plasma روی Species: Ar کلیک کنید.

2 در پنجره Species settings ، قسمت Species Formula را پیدا کنید.

3 کادر From mass constraint check را انتخاب کنید.

هنگام حل یک مسئله پلاسما ، پلاسما باید در ابتدا خنثی باشد. COMSOL به طور خودکار غلظت اولیه یک گونه یونی انتخاب شده را محاسبه می کند به طوری که محدودیت اولیه برتری خنثی شود. هنگامی که شبیه سازی مرحله به مرحله شروع می شود ، نیازی به شارژ خنثی پلاسما نیست. در حقیقت ، جداسازی بار فضایی بین یونها و الکترونهای نزدیک به دیوار یک مؤلفه مهم در حفظ تخلیه است.

1 در پنجره Model Builder ، در بخش Component 1> Plasma روی Species: Ar + کلیک کنید.

2 در پنجره Species settings ، قسمت Species Formula را پیدا کنید.

3 از کادر تأیید  محدودیت الکتریکی خنثی، مقدار اولیه را انتخاب کنید.

شرایط اولیه برای چگالی تعداد الکترون و میانگین انرژی الکترون برای هر مدل پلاسما حیاتی است. اگر تراکم الکترون اولیه خیلی کم باشد ، ممکن است پلاسما نتواند خود را حفظ کند و خود خاموش شود. اگر چگالی الکترون اولیه خیلی زیاد باشد ، ممکن است در مرحله های اولیه ، مشکلات همگرایی رخ دهد.

1 در پنجره Model Builder ، در بخش Component 1> Plasma روی مقادیر اولیه کلیک کنید

2 در پنجره تنظیمات مقادیر اولیه ، قسمت مقادیر اولیه را پیدا کنید.

3 در قسمت ویرایش ne,0 ، 1E15 [1 / m ^ 3] را تایپ کنید.

4 در قسمت ویرایش ε0 ، 5 [V] را تایپ کنید.

5 در پنجره Model Builder ، در بخش Component 1> Plasma بر روی Model Plasma کلیک کنید

6 در پنجره تنظیمات مدل پلاسما ، قسمت Model Inputs را پیدا کنید.

7 در قسمت ویرایش T ، T0 را تایپ کنید.

8 در قسمت ویرایش pA ، p0 را تایپ کنید.

9 قسمت تراکم الکترون و انرژی را پیدا کنید. در قسمت ویرایش μeNn ، mueN را تایپ کنید.

واکنش های سطحی همیشه باید در یک مدل پلاسما گنجانده شوند زیرا آنها نحوه تعامل گونه های یونی ، تحریک شده  و رادیکال را با دیواره توصیف می کنند.

1 در پنجره Model Builder ، در بخش Component 1 روی Plasma کلیک راست کرده و شرط مرزی Heavy Species Transport> Surface Reaction را انتخاب کنید.

2 در پنجره تنظیمات واکنش سطح ، قسمت Reaction Formula را پیدا کنید.

3 در قسمت ویرایش فرمول ، Ars => Ar را تایپ کنید.

4 قسمت Boundary Selection را پیدا کنید. از لیست Selection ، Walls را انتخاب کنید.

5 در پنجره Model Builder ، بر روی Plasma کلیک راست کرده و شرط مرزی Heavy Species Transport> Surface Reaction را انتخاب کنید.

6 در پنجره تنظیمات واکنش سطح ، قسمت Reaction Formula را پیدا کنید.

7 در قسمت ویرایش فرمول ، Ar + => Ar را تایپ کنید.

8 قسمت Boundary Selection را پیدا کنید. از لیست Selection ، Walls را انتخاب کنید.

اکنون شرایط مرزی را اضافه کنید تا نحوه تعامل الکترون ها با دیوار را توصیف کنید و مشخص کنید که دیوارها زمین هستند.

1 در پنجره Model Builder ، بر روی Plasma کلیک راست کرده و شرط مرزی Drift Diffusion> Wall را انتخاب کنید.

2 در پنجره تنظیمات دیوار ، بخش General Wall Settings را پیدا کنید.

3 در قسمت ویرایش re  0.2 را تایپ کنید.

4 قسمت Boundary Selection را پیدا کنید. از لیست Selection ، Walls را انتخاب کنید.

5 در نوار ابزار Physics ، روی Boundaries کلیک کنید و Ground را انتخاب کنید.

6 در پنجره تنظیمات Ground ، قسمت Boundary Selection را پیدا کنید.

7 از لیست انتخاب ها ، Walls را انتخاب کنید.

شما باید میدان الکتریکی AC را در داخل و خارج از پلاسما محاسبه کنید. محاسبه زمینه های فرکانس بالا در پایه ویفر یا ویفر ضروری نیست ، بنابراین با تغییر انتخاب برای رابط زمینه های مغناطیسی شروع کنید.

1 در پنجره Model Builder ، روی قسمتهای مغناطیسی کلیک کنید.

2 فقط دامنه های 3–6 و 8–12 را انتخاب کنید.

ویژگی Coil این امکان را به شما می دهد تا سیستم را با یک قدرت کلی ثابت هدایت کنید. مقداری از این نیرو در سیم پیچ پراکنده می شود و بقیه به پلاسما متصل می شود. در این مثال 1500 وات بر روی سیستم اعمال می شود. این منجر به یک پلاسما با تراکم تعداد بالا می شود. همچنین باید دما و فشار گاز را مشخص کنید.

1 در پنجره Model Builder ، روی Magnetic Fields کلیک راست کرده و تنظیمات دامنه Coil را انتخاب کنید.

2 در پنجره تنظیمات Coil ، بخش Domain Selection را پیدا کنید.

3 از لیست انتخابها ، Coils را انتخاب کنید.

4 قسمت Coil را پیدا کنید. کادر انتخاب گروه Coil را انتخاب کنید.

در Coil excitation ، Power را انتخاب کرده و در قسمت Pcoil edit ، Psp را تایپ کنید.

مواد:

اکنون خصوصیات مواد را به حوزه های هوا ، سیم پیچ و دی الکتریک اختصاص دهید.

1 در پنجره Model Builder ، در بخش Component 1 بر روی Material کلیک راست کرده و Blank Material را انتخاب کنید.

2 در پنجره Material settings ، بخش Geometric Entity Selection را پیدا کنید.

3 از لیست انتخابها ، Coils را انتخاب کنید.

4 قسمت Material Contents را بیابید. در جدول ، تنظیمات زیر را وارد کنید:

         آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول                           

5 در پنجره Model Builder ، در بخش Component 1 روی Material کلیک راست کرده و Blank Material را انتخاب کنید.

6 در پنجره تنظیمات Material ، بخش Geometric Entity Selection را پیدا کنید. فقط دامنه 5 را انتخاب کنید. در جدول ، تنظیمات زیر را وارد کنید:

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

7 در پنجره Model Builder ، در بخش Component 1 روی Material کلیک راست کرده و Blank Material را انتخاب کنید.

8 در پنجره تنظیمات Material ، بخش Geometric Entity Selection را پیدا کنید. فقط دامنه های 4 و 12 را انتخاب کنید. در جدول ، تنظیمات زیر را وارد کنید:

  آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

مش

مش بندی یک مرحله مهم در هر مدل پلاسما است. مش بندی لایه مرزی بر روی دیواره های راکتور تقریباً همیشه لازم است. این مورد برای گرفتن تفکیک بار فضای بین الکترونها و یونهای نزدیک به دیوار لازم است. شما همچنین می توانید یک مش ریز در دامنه های سیم پیچ اضافه کنید زیرا اثر پوست باید برطرف شود.

1 در پنجره Model Builder ، روی Mesh 1 کلیک کنید.

2 در پنجره Mesh settings ، بخش Mesh Settings را پیدا کنید.

3 از لیست اندازه Element ، Finer را انتخاب کنید.

4 روی Mesh 1 راست کلیک کرده و More Operations> Edge را انتخاب کنید.

5 فقط مرزهای 6 ، 8 ، 44 ، 45 و 54 را انتخاب کنید.

6 روی راست کلیک کنید> Component 1> Mesh 1> Edge 1 و Size  را انتخاب کنید.

7 در پنجره تنظیمات اندازه ، قسمت Element Size را پیدا کنید.

8 روی دکمه Custom کلیک کنید.

9 قسمت Element Size Parameters را پیدا کنید. کادر انتخاب Maximum size size را انتخاب کنید.

10 در قسمت ویرایش مرتبط ، 1E-3 را تایپ کنید.

11 در پنجره Model Builder ، روی Mesh 1 کلیک راست کرده و Free Triangular را انتخاب کنید.

12 در پنجره Free Triangular settings ، قسمت Domain Selection را پیدا کنید.

13 از فهرست سطح موجودیت هندسی ، دامنه را انتخاب کنید.

14 فقط دامنه 3 را انتخاب کنید.

15 روی Component 1>Mesh 1>Free Triangular 1 راست کلیک کنید و Size را انتخاب کنید.

16 در پنجره Size settings ، قسمت Element Size را پیدا کنید.

17 از لیست از پیش تعریف شده ، گزینه Extra fine را انتخاب کنید.

18 در پنجره Model Builder ، روی Mesh 1 کلیک راست کرده و Boundary Layers را انتخاب کنید.

19 در پنجره تنظیمات لایه های مرزی ، قسمت Domain Selection را پیدا کنید.

20 از فهرست Geometric entity level ، Domain را انتخاب کنید.

21 فقط دامنه 3 را انتخاب کنید.

22 در پنجره Model Builder ، در بخش Component 1> Mesh 1> Boundary Layers 1 بر روی Boundary Layer Properties کلیک کنید.

23 در پنجره تنظیمات Boundary Layer Properties ، قسمت Boundary Selection را پیدا کنید.

24 از لیست Selection ، Walls را انتخاب کنید.

25 قسمت Boundary Layer Properties را پیدا کنید. در قسمت ویرایش تعداد لایه های مرزی ، 5 را تایپ کنید.

26 در قسمت ویرایش Boundary layer stretching factor ، 1.4 را تایپ کنید.

27 در پنجره Model Builder ، روی Mesh 1 راست کلیک کرده و Mapped را انتخاب کنید.

28 در پنجره تنظیمات Mapped settings ، قسمت Domain Selection را پیدا کنید.

29 از فهرست Geometric entity level ، Domain.  را انتخاب کنید.

30 از لیست Selection ، Coils را انتخاب کنید.

31 روی Component 1>Mesh 1>Mapped 1 راست کلیک و Distribution را انتخاب کنید.

32 در پنجره Distribution settings ، قسمت Boundary Selection را پیدا کنید.

33 از لیست Selection ، Coil Boundaries را انتخاب کنید.

34 در پنجره Distribution settings ، قسمت Distribution  را پیدا کنید.

35 از فهرست Distribution type ، نوع Predefined distribution type را انتخاب کنید.

36 در قسمت Number of elements edit ، 25 را تایپ کنید.

37 در قسمت ویرایش Element ، 20 را تایپ کنید.

38 از لیست Growth formula ، Geometric sequence را انتخاب کنید.

39 Symmetric distribution check box را انتخاب کنید.

40 در پنجره Model Builder ، روی Mesh 1 کلیک راست کرده و Free Triangular را انتخاب کنید.

41 روی Mesh 1 کلیک راست کرده و Build All را انتخاب کنید.

مطالعه

اکنون این مدل آماده حل است. شما فقط باید لیست زمانهای خروجی و فرکانس جریانهای القایی را وارد کنید.

1 در پنجره Model Builder ، گره Study 1 را گسترش دهید ، سپس روی Frequency-Transient Step 1:  کلیک کنید.

2 در پنجره Frequency-Transient settings ، قسمت Study Settings را بیابید.

3 در قسمت ویرایش Times ، 0 را تایپ کنید (عدد صفر و پس از آن یک فاصله)

4 روی دکمه Range کلیک کنید.

5 به کادر محاوره ای Range بروید.

6 از لیست Entry method ، تعداد مقادیر را انتخاب کنید.

7 در قسمت Start edit ، -8 را تایپ کنید.

8 در قسمت Stop edit ، -3 را تایپ کنید.

9 در قسمت Number of values ، 21 را تایپ کنید.

10 از تابع برای اعمال در لیست همه مقادیر ، exp10 را انتخاب کنید. قسمت متن اکنون باید شامل 0 10 ^  {دامنه (-8, 5/20, -3)} باشد.

11 روی دکمه Add کلیک کنید.

12 در قسمت Frequency ، 13.56E6 را تایپ کنید.

13 در پنجره Model Builder ، روی Study 1 کلیک راست کرده و Compute  را انتخاب کنید.

نتایج:

سه نمودار پیش فرض تولید شده است ، یکی برای تراکم تعداد الکترون ، دیگری برای دمای الکترون و دیگری برای پتانسیل الکترواستاتیک. پس از حل مدل ، نمودار پیش فرض مربوط به تراکم الکترون است. اوج تراکم الکترون در مرکز راکتور ، در زیر سیم پیچ RF رخ می دهد. چگالی الکترون در این حالت به اندازه کافی زیاد است که باعث ایجاد محافظ در میدان الکتریکی آزیموتال می شود.

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

1- برای مشاهده دمای الکترون ، روی Electron Temperature (plas) plot group   کلیک کنید.

بالاترین میزان “دما” الکترون مستقیم در زیر سیم پیچ است ، جایی که قسمت عمده ای از نفوذ توان رخ می دهد.

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

2- برای مشاهده پتانسیل الکتریکی ، روی گروه Electric Potential (plas) plot کلیک کنید.

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

اکنون یک طرح کلی برای مقاومت در برابر سیم پیچ اضافه کنید. این به عنوان قسمت واقعی افت ولتاژ کل سیم پیچ تقسیم بر جریان تعریف می شود.

3 در پنجره Model Builder ، بر روی نتایج کلیک راست کرده و 1D Plot Group را انتخاب کنید.

4 روی نتایج> 1D Plot Group 6 کلیک راست کرده و Global را انتخاب کنید.

5 در پنجره تنظیمات Global ، بخش y-Axis Data را پیدا کنید. Replace Expression  را کلیک کنید.

اصطلاح  Magnetic Fields>Coil Parameters>Coil Resistance (mf.RCoil_1)) را از لیست انتخاب کنید.

6 روی دکمه x-Axis Log Scale در نوار ابزار Graphics کلیک کنید.

7 روی دکمه Plot کلیک کنید.

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

اکنون یک نمودار برای کل توان تلف شده در سیستم اضافه کنید. این نیمی از قسمت واقعی افت ولتاژ کل سیم پیچ در جریان اعمال شده ضرب شده است.

8 در پنجره Model Builder ، بر روی نتایج کلیک راست کرده و 1D Plot Group را انتخاب کنید.

9 روی نتایج> 1D Plot Group 5 کلیک راست کرده و Global را انتخاب کنید.

10 در پنجره تنظیمات Global ، بخش y-Axis Data را پیدا کنید. Replace Expression  را کلیک کنید

اصطلاح  . (mf.PCoil_1)  Select Magnetic Fields>Coil Parameters>Coil Power را از لیست انتخاب کنید.

11 روی دکمه x-Axis Log Scale در نوار ابزار Graphics کلیک کنید

12 دکمه Plot را کلیک کنید.

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

اکنون برخی از نمودارهای 2 بعدی را اضافه کنید.

1 در پنجره Model Builder ، بر روی نتایج راست کلیک کرده و 2D Plot Group را انتخاب کنید.

2 روی 2D Plot Group 6 راست کلیک کرده و Surface را انتخاب کنید.

3 در پنجره تنظیمات سطح ، بر روی Replace Expression در گوشه بالا سمت راست بخش Expression کلیک کنید. از فهرست ، (plas.n_wAr_1p) plasma (Heavy Species Transport)>Number densities>Number density را انتخاب کنید.

4 دکمه Plot را کلیک کنید.

5 روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید.

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

یک راه سریع برای ایجاد طرح های اضافی استفاده از گزینه Duplicate است. اکنون یک نمودار از هنجار میدان الکتریکی با فرکانس بالا ایجاد کنید.

6 در پنجره Model Builder ، روی 2D Plot Group 6 راست کلیک کرده و Duplicate را انتخاب کنید.

7 در پنجره Model Builder ، گره 2D Plot Group 7 را گسترش دهید ، سپس روی Surface 1 کلیک کنید.

8 در پنجره تنظیمات سطح ، بر روی Replace Expression در گوشه بالا سمت راست بخش Expression کلیک کنید. از منو ، (mf.normE)  Fields>Electric>Electric field norm (mf.normE) را انتخاب کنید.

9 روی دکمه Plot کلیک کنید.

10 روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید.

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

مشاهده کنید که میدان الکتریکی توسط پلاسما کمی شیلد می شود. این به دلیل اثر پوستی در پلاسما است. با افزایش چگالی تعداد الکترون ، پلاسما تمایل به شیلد در برابر میدان الکتریکی دارد. اکنون یک نمودار از چگالی اتم های آرگون با تحریک الکترونیکی ایجاد کنید.

11 در پنجره Model Builder ، روی 2D Plot Group 7 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید.

12 در پنجره Model Builder ، گره 2D Plot Group 8 را گسترش دهید ، سپس روی Surface 1 کلیک کنید.

13 در پنجره تنظیمات سطح ، بر روی Replace Expression در گوشه بالا سمت راست بخش Expression کلیک کنید. از فهرست ، (plas.n_wArs)  plasma (Heavy Species Transport)>Number densities>Number density را انتخاب کنید.

14 دکمه Plot را کلیک کنید.

15 روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید.

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

سرانجام ، یک مجموعه داده جدید ایجاد کنید که فقط در دامنه پلاسما فعال باشد تا تجسم رسوب توان در پلاسما آسان تر شود.

1 در پنجره Model Builder ، گره Results> Data Sets را گسترش دهید.

2 روی Solution 1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید.

3 روی Results>Data Sets>Study 1/Solution 1 (2) کلیک راست کرده و Selection. را انتخاب کنید.

4 در پنجره تنظیمات Selection. ، بخش Geometric Entity Selection را پیدا کنید.

5 از لیست Geometric entity level ، Domain. را انتخاب کنید.

6 فقط دامنه 3 را انتخاب کنید.

7 Propagate را در lower dimensions غیرفعال کنید.

8 در پنجره Model Builder ، بر روی Results کلیک راست کرده و 2D Plot Group را انتخاب کنید.

9 روی 2D Plot Group 9 راست کلیک کرده و Surface را انتخاب کنید.

10 در پنجره Surface settings ، قسمت Data را پیدا کنید.

11 از لیست مجموعه داده ها ، Study 1/Solution 1(2). را انتخاب کنید.

12 بر روی Replace Expression در گوشه بالا سمت راست بخش Expression کلیک کنید. از منو ،

(mf.Qrh)  Magnetic Fields>Heating and losses>Volumetric loss density را انتخاب کنید.

13 دکمه Plot را کلیک کنید.

14 روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید.

آموزش مقدماتی تا پیشرفته ماژول پلاسما در کامسول

اثر شیلد از میدان الکتریکی به دلیل عمق پوست پلاسما نیز هنگام ترسیم نفوذ توان آشکار است.

B i b l i o g r a p h y

  1. D.P. Lymberopolous and D.J. Economou, “Two-Dimensional Self-Consistent Radio Frequency Plasma Simulations Relevant to the Gaseous Electronics Conference RF Reference Cell”, J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol., vol. 100, pp. 473, 1995.

کتابشناسی – فهرست کتب

  1. D.P. Lymberopolous و D.J. اکونومو ، “شبیه سازی پلاسمای فرکانس رادیویی دو بعدی خود سازگار با سلول مرجع RF کنفرانس الکترونیک گازی” ، J. Res. ناتل نصب ایستادن. تکنول ، جلد 100 ، ص 473 ، 1995.