ПРОДУКТ:Модуль «Плазма»

Моделируете низкотемпературные равновесные и неравновесные разряды с помощью модуля Плазма

Планарная катушка с переменным током над диэлектрическим окном, под которым в заполненной аргоном камере образуется плазма. Плазма поддерживается за счет электромагнитной индукцией, заключающейся в том, что электронам передается энергия электромагнитного поля.

Специализированные инструменты для моделирования систем с низкотемпературной плазмой

Модуль Плазма разработан специально для моделирования источников и систем низкотемпературной плазмы. Инженеры и ученые могут использовать его для получения более ясного представления о физике разрядов и оценки рабочих характеристик уже существующих или проектируемых инновационных систем. Возможно проведение одномерных, двумерных или трехмерных расчётов. Физика плазмы очень сложна и характеризуется высокой степенью нелинейности. Небольшие изменения сигнала на входе или химического состава плазмы могут вызывать значительные изменения характеристик разряда.

Плазма как сложная мультифизическая система

Физика низкотемпературной плазмы сочетает в себе элементы гидромеханики, химической технологии, физической кинетики, теплопередачи, массообмена и электродинамики – иными словами, это весьма сложная мультифизическая система. Модуль Плазма представляет собой специализированный инструмент для моделирования неравновесных электрических разрядов, возникающих и используемых в разнообразных технических дисциплинах и приложениях. В модуле доступен ряд физических интерфейсов, позволяющих моделировать типовые системы. Поддерживается моделирование следующих явлений: разряды постоянного тока, плазма с индуктивной связью, плазма с ёмкостной связью, микроволновая плазма, а также равновесные разряды. В состав модуля входит комплект документированных демонстрационных моделей с пошаговым описанием процесса их построения, а также детализированное руководство пользователя.

Дополнительные иллюстрации

Плазменные реакторы с индуктивно-связанной плазмой (ИСП) обычно работают при давлении порядка нескольких миллиторров (mtorr), они характеризуются значительно большей плотностью электронов, по сравнению с установками с ёмкостно-связанной плазмой. Установки с индуктивно-связанной плазмой получили широкое распространение в индустрии т.к. ионная бомбардировка при низком давлении обеспечивает равномерную скорость травления на поверхности пластины. На графике поверхности показана численная плотность электронов внутри эталонного GEC (Gaseous Electronics Conference) ИСП-реактора.

Небольшой зазор между двумя диэлектрическими пластинами заполнен газом. Напряжение подается таким образом, чтобы все свободные электроны ускорялись и вызывали ионизацию, формируя диэлектрический барьерный разряд. На графике показана массовая доля возбужденных электронами атомов аргона.

В перекрестной конфигурации э/м волна с TE-поляризацией входит с верхней границы и поглощается при взаимодействии с плазмой. На графике белым контуром отмечена область, в которой плотность электронов достигает критического значения.

Индуктивно-связанная плазма

Индуктивно-связанная плазма (ИСП) впервые была использована в 1960-х годах в виде термической плазмы в оборудовании для нанесения покрытий. Первые устройства работали при давлениях порядка 0.1 атм., в них создавалась температура газа порядка 10 000 K. В 1990-х годах ИСП стала широко использоваться для обработки пленок при изготовлении больших полупроводниковых пластин. Такие плазменные установки работали при низком давлении от 0,002 до 1 торра, поэтому температура газа была близка к комнатной температуре. Установки ИСП низкого давления привлекательны тем, что создают относительно однородную плотность плазмы в большом объеме. При этом плотность плазмы также высока и составляет примерно 10¹⁸ 1/м³, что приводит к формированию интенсивного ионного потока в направлении поверхности пластины. Для устранения эффекта ёмкостной связи между плазмой и обмоткой возбуждения часто устанавливают экраны Фарадея. Мультифизический интерфейс Inductively Coupled Plasma автоматически организует и учитывает сложную взаимосвязь между электронами и высокочастотным электромагнитным полем в плазме этого типа. Данный интерфейс требует использования модуля Плазма и модуля AC/DC.

Ёмкостно-связанная плазма

Физический интерфейс Plasma, Time Periodic позволяет моделировать ёмкостно-связанную плазму (ЕСП) со значительно меньшими затратами времени на вычисления. Вместо решения задачи во временной области используется новый подход для получения периодических стационарных решений. Физический интерфейс добавляет новое дополнительное измерение к математическим уравнениям, описывающим один высокочастотный период, и накладывает периодические граничные условия на упомянутое дополнительное измерение. Таким образом, не приходится рассчитывать десятки и сотни тысяч высокочастотных циклов, в течение которых плазма обычно достигает периодического стационарного состояния. Новый подход учитывает все нелинейные особенности модели и требует гораздо меньше времени на вычисления: одномерные модели рассчитываются за секунды, а двухмерные — за час при одном и том же уровне входной мощности.

Глобальное моделирование немаксвелловских разрядов

Чтобы облегчить моделирование плазменных процессов, можно использовать новую модель диффузии Global, что позволяет выполнять первоначальный анализ процессов перед их оптимизацией с помощью более точного моделирования. Глобальное моделирование снижает число степеней свободы в ваших моделях за счет применения обычных дифференциальных уравнений к вашей модели плазмы. Это позволяет тестировать и проверять сложные химические процессы перед запуском моделей, в которых учитываются пространственные зависимости, в то время как геометрия реактора, химические реакции на поверхности и потоки исходных материалов по-прежнему учитываются.

Для глобального моделирования вычисляется функция распределения энергии электронов (EEDF) с использованием двучленного приближения уравнения Больцмана. Данные функционал также доступен в физическом интерфейсе Boltzmann Equation, Two-term Approximation.

Разряды постоянного тока

Для моделирования разрядов постоянного тока, поддерживаемых вторичной электронной эмиссией с катода в результате ионной бомбардировки, в модуле доступен физический интерфейс Plasma. Этот интерфейс позволяет описывать условия на входе и содержит основные уравнения и условия для моделирования указанного явления. Испускаемые с катода электроны ускоряются в области катодного падения напряжения и попадают в область плазмы. Они могут иметь энергию, достаточную для ионизации фонового газа. Электроны двигаются к аноду, а ионы – к катоду, где они могут выбить новые вторичные электроны. Без вторичной электронной эмиссии поддержание стабильного разряда постоянного тока невозможно.

Микроволновая плазма

Мультифизический интерфейс Microwave Plasma можно использовать для моделирования разрядов, поддерживаемых э/м волнами. Физика плазмы СВЧ-разряда зависит от поляризации э/м волны - ТЕ (электрическое поле лежит вне плоскости) или ТМ (электрическое поле лежит в плоскости). Ни при каких обстоятельствах электромагнитная волна не может проникнуть в те области плазмы, в которых плотность электронов превышает критическое значение (примерно 7,6x10¹⁶ 1/м³ для аргона при частоте 2,45 ГГц). Диапазон давлений для образования плазмы СВЧ-разряда очень широк. Для плазмы циклотронного резонанса (ECR) давление может быть порядка 1 Па или меньше. Для прочих видов плазмы давление обычно находится в диапазоне от 100 Па до атмосферного. Вырабатываемая мощность может составлять от нескольких ватт до нескольких киловатт. Микроволновая плазма находит широкое применение благодаря дешевизне микроволновой энергии. Интерфейс Microwave Plasma требует совместного использования инструментов модуля Плазма и Радиочастоты.

Равновесные разряды

В модуле Плазма доступен ряд мультифизических интерфейсов группы Equilibrium Discharge для моделирования равновесной плазмы в формализме магнитной гидродинамики

Прочие интерфейсы

В модуле также доступны специальные интерфейсы для упрощенного моделирования и оценки формирования стримеров (Electrical Breakdown Detection) и коронарных разрядов (Corona Discharge).