Particle simulation technique is applied to study various laboratory plasma phenomena, ranging from the neoclassical polarization drift in spatio-temporally sheared electric field in tokamak geometry, to kinetic characteristics of PDP and CCP discharges, to 3D progression of an etching profile. The neoclassical polarization drift is known to play a critical role in the space-time dynamics of a sheared radial electric field (geodesic acoustic modes and zonal flows) and its interplay with plasma turbulence in a toroidally confined plasma. In the present study, the neoclassical polarization drift of collisionless ions is studied numerically using the guiding center code XGC0. The emphasis is on the radial banana excursion in realistic tokamak geometry. It is found that the polarization drift velocity for single ions is not only a function of the time derivative, but also a strong function of the radial shear if the shear length is on the same order as the ion banana width. A comparison with an analytic investigation reveals that this effect is simply due to the finite banana averaging of the radial electric field. An approximate analytic formula has been presented for collisionless single banana ions in a conventional tokamak magnetic geometry. A three-dimensional profile simulator is developed for poly-Si etching in Cl2 plasmas. For the profile evolution, a level set method is utilized, where the moving surface is represented as a level set function. To obtain etch rates, the exposure of the surface point to bombarding ions has to be determined. We propose a simple, but efficient, scheme to determine the exposure. The simulator evaluates the angular energy distribution of the bombarding ions based on Miller`s sheath model. Simulation results are presented for hexahedron and cylinder types of masks. The improved 2D/3D PIC (particle-in-cell) code KCCP has been developed based upon the particle advance dynamics in the well-known XPDP code. Parallelization has been performed and the multigrid method in the PETsc library has been implemented. KCCP has been applied to the study of basic plasma dynamics in an AC-PDP cell. KCCP has also been applied to CCP (capacitively coupled plasma) geometry to study the chlorine discharge plasma. A PIC/MCC (Monte Carlo Collision) technique enabled us to study the neutral particle dynamics and the charged particle dynamics self-consistently with atomics physics collisions between them.
입자 시늉내기는 다양한 실험실 플라즈마 현상을 연구하기 위해 적용되고 있다. 본 연구에서는 이를 이용하여 토카막에서 시공간적으로 변하는 전기장에서의 신고전 편광 표류, PDP와 CCP 방전에 대한 동역학적 특성 연구, 그리고 3D 에칭 시뮬레이션에 대한 연구를 하였다.
본 연구에서는 하나의 이온에 대한 신고전 편광 표류가 XGC0 코드를 이용해서 수치해석적으로 연구되었다. 신고전 편광 표류는 전기장의 시간 변화의 함수일 뿐만 아니라 지름방향 찌그러짐의 함수이다. 해석학적 조사와의 비교를 통해 이 효과가 지름 방향 전기장의 유한한 바나나 운동으로 인한 것임을 알 수 있었고, 대략적인 해석학적인 표현식이 얻어졌다. 이 표현식과 수치해석 결과와의 비교를 통해 얻어진 해석학적 표현식이 여러 토카막에서 10% 이내의 오차를 보이면서 잘 일치함을 확인할 수 있었다. 이 연구는 충돌이 있는 플라즈마에 대한 연구를 위한 기초 자료로서 이용될 수 있다.
3차원 식각 모양 시늉내기 코드가 Cl2 플라즈마에서 실리콘 에칭에 대해 개발되어졌다. 식각 표면 진행을 나타내기 위해 level set 방법이 사용되어졌고, 표면에 대한 플라즈마의 노출을 결정하기 위한 방법이 제안되어 코드에 적용되었다. 시늉내기 코드는 충돌하는 이온의 각 에너지 분포를 계산하고, 육면체 모양과 원통 모양에 대한 식각을 진행하였다. 이 외에도 다양한 플라즈마 소스와 물질에 대한 식각이 가능하고 증착이나 충전 현상에 대한 연구에도 적용될 수 있다.
개선된 2차원/3차원 입자 코드가 이미 알려진 XPDP 코드를 기반으로 개발되었다. 이 코드는 병렬화가 이루어졌고 PETsc에서의 multigrid방법이 적용되었다. 이 코드가 AC-PDP에서의 기본적인 플라즈마 동역학 현상을 연구하기 위해 사용되었다. 또한 이 코드는 CCP구조에서 염소 가스의 방전 연구에도 사용되었다. 이를 위해 중성 입자와 전하를 띤 입자들과의 충돌이 고려되었다.
