ðI HC QUC GIA THÀNH PH H CHÍ MINH
TRƯNG ðI HC KHOA HC T NHIÊN
VŨ HOÀNG NAM
MÔ PHNG PLASMA PHÓNG ðIN KHÍ ARGON
TRONG H PHÚN X MAGNETRON DC
B$NG PHƯƠNG PHÁP PIC/MCC
Chuyên ngành: V0t Lý Vô Tuy4n và ði7n T8
Mã s;: 60 44 03 1
LUBN VĂN THC SĨ VBT LÝ
NGƯI HƯFNG DGN KHOA HC:
PGS. TS LÊ VĂN HIIU
Thành ph H Chí Minh – 2010
i
Li cm ơn
Tôi bit ơn sâu sc ñn thy Lê Văn Hiu, ngưi ñã tn tình d y và hư#ng d$n
tôi t% khi tôi còn là m*t sinh viên cho ñn khi tôi th,c hi-n lun văn này.
Tôi bit ơn các Thy, Cô trong B* môn Vt lý 4ng d5ng ñã truy6n ñ t các kin
th7c quý báu cho tôi trong nh9ng năm h:c qua.
C<m ơn b n Nguy>n ð7c H<o ñã giúp tôi có các hiCu bit v6 h- phún x
magnetron th,c th, và hơn n9a, b n ñã ñ:c và chFnh sGa bài lun này cho tôi.
C<m ơn các b n h:c viên cao h:c khóa 17 J hai l#p Quang h:c và Vt lý Vô
tuyn ði-n tG, chúng ta ñã cùng nhau ñMng hành trong suNt ba năm h:c v%a qua. Minh
sP nh# mãi nh9ng ln h:c nhóm và ñi chơi xa cùng các b n.
C<m ơn ñn cô PhưRng, chS Trang, các em Loan, Hưng và An. Không có nh9ng
chic máy tính cWa cô, chS và các em thì ñ6 tài này không thC th,c hi-n ñưRc.
v
Mc lc
M ñu ..............................................................................................................1
Chương 1
T"NG QUAN ...................................................................................................3
1.1
Plasma phóng ñi-n sáng DC và h- phún x0 magnetron .......................... 3
1.1.1
Khái ni-m v6 plasma ............................................................................... 3
1.1.2
Phóng ñi-n sáng DC ................................................................................ 5
1.1.3
H- phún x magnetron............................................................................. 7
1.2
Các bư6c xây d:ng h- phún x0 magnetron o ......................................... 8
1.2.1
T% trưng ................................................................................................. 9
1.2.2
Phóng ñi-n magnetron ............................................................................. 9
1.2.3
Tương tác h t – bia .................................................................................. 9
1.2.4
Vn chuyCn h t trong pha khí................................................................ 10
1.2.5
Phát triCn màng t i ñ ............................................................................ 10
1.3
Các mô hình mô ph<ng phóng ñi-n magnetron ..................................... 10
1.3.1
Mô hình gi<i tích.................................................................................... 11
1.3.2
Mô hình chdt lưu.................................................................................... 11
1.3.3
Mô hình h t............................................................................................ 12
1.3.4
Mô hình lai............................................................................................. 14
Chương 2
XÂY D@NG MÔ HÌNH MÔ PHDNG PHÓNG ðIGN
MAGNETRON KHÍ ARGON......................................................................15
2.1
TM trưng tĩnh cOa h- magnetron phPng tròn ñRi xSng trc............... 15
2.2
Mô ph<ng PIC/MCC và áp dng nó cho mô ph<ng phóng ñi-n
magnetron .................................................................................................. 18
2.2.1
Mô phgng PIC........................................................................................ 18
2.2.1.1
Phân chia ñi-n tích cWa siêu h t cho nút lư#i................................... 19
2.2.1.2
Gi<i phương trình Poisson trên lư#i................................................. 20
2.2.1.3
Kt hRp m ch ñi-n ngoài ................................................................. 22
2.2.1.4
N*i suy các trưng trên lư#i ñn vS trí các siêu h t ......................... 26
2.2.1.5
Gi<i phương trình Newton – Lorentz............................................... 26
2.2.1.6
Kt hRp tương tác plasma – b6 mZt.................................................. 29
2.2.1.7
ð* pn ñSnh và chính xác cWa PIC..................................................... 30
2.2.2
Mô phgng MCC..................................................................................... 31
2.2.2.1
Phương pháp không va ch m........................................................... 32
2.2.2.2
Các lo i va ch m trong mô hình ...................................................... 34
2.2.2.3
Vn tNc sau va ch m ........................................................................ 36
vi
2.3
Các phương pháp làm tăng tRc ñV tính toán .......................................... 39
2.3.1
Các phương pháp tăng tNc cho máy tính ñơn xG lý............................... 40
2.3.1.1
S, thay th chu kỳ............................................................................ 40
2.3.1.2
C<i tin không gian pha ban ñu...................................................... 41
2.3.2
Phương pháp tính toán h t song song.................................................... 41
2.3.2.1
Mô t< tính toán h t song song .......................................................... 42
2.3.2.2
Thư vi-n lp trình song song MPI ................................................... 42
2.3.2.3
Ư#c lưRng ñ* lRi cWa tính toán h t song song ................................. 44
2.4
CYu trúc cOa chương trình mô ph<ng..................................................... 45
2.4.1
Mã tun t,.............................................................................................. 46
2.4.2
Mã tính toán h t song song.................................................................... 47
Chương 3
KZT QU[ VÀ BÀN LU_N...........................................................................49
3.1
S: phân bR tM trưng cOa h- magnetron................................................ 49
3.2
ðV lbi cOa tính toán h0t song song........................................................... 51
3.3
Tr0ng thái dMng cOa mô hình................................................................... 54
3.4
BSc tranh cOa phóng ñi-n khí argon trong h- magnetron.................... 59
3.4.1
S, phân bN ñi-n th và ñi-n trưng....................................................... 59
3.4.2
S, phân bN theo t:a ñ* cWa electron và ion........................................... 63
3.4.3
S, phân bN các tNc ñ* va ch m ............................................................. 67
3.4.4
Hàm xác sudt năng lưRng electron ........................................................ 72
3.4.5
S, phân bN cWa ion argon t i b6 mZt cathode ........................................ 73
Kdt luen ...........................................................................................................78
Danh mc các công trình cOa tác gi............................................................80
Tài li-u tham kho .........................................................................................81
Ph lc A.........................................................................................................88
Ph lc B .........................................................................................................94
ii
Danh mc các hình v và bng
Hình 1.1. Phân lo i plasma trong phòng thí nghi-m và trong không gian d,a
trên gi<n ñM
log
n
theo
log
e
T
...................................................................................4
Hình 1.2. Các ñ i lưRng ñZc trưng cWa phóng ñi-n sáng DC.........................................6
Hình 1.3. Magnetron ph^ng (a) tròn và (b) ch9 nht. Các ñưng cong trên b6
mZt cathode là các ñưng s7c t%...............................................................................8
Hình 1.4. Các bư#c xây d,ng h- phún x magnetron <o trên máy tính.........................9
Hình 2.1. Sơ ñM cdu t o magnetron ph^ng tròn ñNi x7ng tr5c. Hai nam châm
vĩnh cGu S và N t o t% trưng có các ñưng s7c cong trên b6 mZt cathode. .........15
Hình 2.2. Chu kì tính toán cWa mô phgng PIC trong m*t bư#c nh<y thi gian
t
............................................................................................................................18
Hình 2.3. Phân chia ñi-n tích theo thC tích trong h- t:a ñ* tr5 cWa m*t siêu h t
t i t:a ñ* (r
k
, z
k
) cho nh9ng nút lư#i gn nó nhdt là A, B, C và D. Ví d5 ñi-n
tích ñưRc phân chia cho ñiCm C thì bing ñi-n tích q
k
nhân v#i phn thC tích
ñưRc t o ra t% phn di-n tích ñưRc bôi m quay xung quanh tr5c z, chia cho
thC tích cWa vòng vin khăn ABCD..........................................................................19
Hình 2.4. ðSnh lý Gauss trên các h*p bao quanh các nút lư#i (0, 0), (0, j) và (0,
Nr
1
) trên b6 mZt cathode. ........................................................................................23
Hình 2.5. Sơ ñM cWa phương pháp nh<y cóc hi-n. VS trí cWa m*t h t ñưRc ñly
t% thi ñiCm t ñn thi ñiCm
t t
+
, nhưng vn tNc chF bit J thi ñiCm
2
t t
+
....................................................................................................................27
Hình 2.6. Gi<n ñM gi<i phương trình chuyCn ñ*ng cWa phương pháp Boris. ...............27
Hình 2.7. Chu kỳ tính toán cWa PIC/MCC trong m*t bư#c nh<y thi gian
t
............32
Hình 2.8. Tit di-n va ch m electron – nguyên tG argon.............................................35
Hình 2.9. Tit di-n va ch m ion argon – nguyên tG argon...........................................35
Hình 2.10. Sơ ñM truy6n d9 li-u t% xG lý có
rank 0
=
ñn 8 xG lý trong nhóm.
(a) trao ñpi thông tin ñiCm – ñiCm và (b) trao ñpi thông tin tp hRp......................43
Hình 2.11. Sơ ñM cdu trúc và vòng lZp vt lý cWa chương trình...................................45
Hình 3.1. S, phân bN thành phn t% trưng theo hư#ng bán kính, B
r
, cWa
magnetron. ..............................................................................................................49