低气压感性耦合等离子体加热机制的动理学研究

感应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasmas，ICP)是一种重要的低温等离子体源，被广泛用于微电子工业等领域。ICP装置通常工作气压较低(1～100 mTorr),因此电子将显示出很强的非热平衡非局域效应，会出现无碰撞加热，反常趋肤效应和负功率吸收等一系列重要的物理现象。虽然研究多年，关于这些现象的理论和实验结果仍然没有定论，部分结果甚至是相互矛盾的，而目前广泛采用的非局域近似的线性Vlasov方程和流体模拟都不足以解决这些问题，完全动理学的高维PIC/MC模拟有望解决这些问题。本研究将利用自行开发的两维PIC/MC模拟程序，系统研究驱动电源参数、装置几何形状和气体性质对于ICP中等离子体加热率和等离子体性质的影响，结合解析的整体模型和一维线性Vlasov模型，阐明ICP中电子的加热机制，并定量研究不同参数对于ICP中电子加热率的影响。

针对感应耦合等离子体(Inductively Coupled Plasmas，ICP) 本研究成功建立了一套描述低气压ICP 中电子加热机制的自洽的动理学理论模型，分别描述ICP中的电磁场、带电粒子和中性分子，开发出稳定、高效的PIC/MC 数值算法，编制相应的程序并优化和并行化，该程序能以较低的计算开销给出定量上准确的模拟结果。该程序已经在我们相关的研究中获得了应用。.本研究中我们发展了隐式模拟、能量守恒格式、柱坐标系下场求解与粒子推动、粒子合并算法，带权重的蒙特卡洛方法等一系列的数值算法。并最终实现了完全自洽的ICP的PIC/MC模拟，程序能够考虑自洽考虑横场和纵场的影响，也能外加磁场的影响，同时包含了背景气体的模型和多种反应气体的MC模型。从公开发表的文献看，针对ICP的隐式PIC/MC模型在国际上尚属首次实现，在后继的工作中，我们必将能够阐明此前流体模型无法研究的电子加热、反常趋肤等问题。部分算法结果已经发表在Chinese Physics B 23 (3), 035204。.本研究的建立的模拟方法和程序具有普适性，可以用于其他驱动方式的感应耦合等离子体，以及其他低温等离子体源的数值模拟工作。我们利用本研究开发出的模型和程序，研究了反场构型和微放电等离子体的性质，结果已经发表在Journal of Applied Physics 115 (19), 193301，Journal of Physics D: Applied Physics 47 (43), 435201，New Journal of Physics 16 (11), 113036。本研究开发出的程序将很好的能够很好的促进低温等离子体的相关研究。.本研究的主要不足是未能如期完成系统的模拟工作，且已经发表工作不多，且相关度不高。主要原因是2013年10月起本人公派出国从事其他问题研究。由于模型和程序已经建立，上述问题将在今后1年左右的后继研究中得到彻底解决。