Low-temperature, non-equilibrium plasmas form the basis of a growing variety of plasma-related processes. The demand for high-density plasmas over a wide pressure range has stimulated the development and use of microwave plasma sources in the last few years. Depending on the specific application, quite different and specialized sources have emerged. Other than empirical trial and error methods, computer simulations drastically reduce the time and effort needed to optimize the power coupling and distribution into a given gas. The computation of electromagnetic fields in plasma sources, including the plasma as a lossy dielectric, is a practical (though not self-consistent) approach yielding valuable insight on a short time-scale. Finite integral methods (FIMs) have proven to be powerful tools because they may be interpreted as a discrete analogue representation of Maxwell's equations in the computational grid. We have already developed and optimized a whole family of slot antenna microwave plasma sources (SLANs) based on such an approach. Our work included three-dimensional numerical simulations of the coupling structures and impedance matching in the time and frequency domains. For the smallest source µSLAN geometry-dependent resonances were also identified, suppressed or enhanced to improve plasma ignition and power coupling. In that case the driving force was to use these sources more efficiently for time-modulated power flow, which is becoming very attractive for advanced plasma-based materials processing. The insight gained from our smallest source type µSLAN has also been successfully applied to model larger plasma sources with diameters of up to more than 0.5 m and predict their performance at realistic working parameters before construction. Examples of these approaches as well as performance data will be given.
低温非平衡プラズマは、多様なプラズマ関連プロセスの基盤を形成している。広い圧力範囲にわたる高密度プラズマへの要求は、ここ数年におけるマイクロ波プラズマ源の開発と利用を促進してきた。特定の用途に応じて、それぞれ異なる特化したプラズマ源が登場している。経験的な試行錯誤の方法に代わり、コンピュータシミュレーションは、所定のガスへの電力結合と電力配分の最適化に必要な時間と労力を大幅に削減する。プラズマを損失性誘電体として含むプラズマ源における電磁界の計算は、実用的ではあるが（自己無撞着ではないものの）短い時間スケールで有益な知見をもたらすアプローチである。有限積分法（FIM）は、計算グリッド上におけるマクスウェル方程式の離散アナログ表現として解釈できるため、強力なツールであることが実証されている。我々は、このようなアプローチに基づいて、スロットアンテナ型マイクロ波プラズマ源（SLAN）の全ファミリーをすでに開発し、最適化している。我々の研究には、時間領域および周波数領域における結合構造とインピーダンス整合の三次元数値シミュレーションが含まれる。最小のプラズマ源であるµSLANについては、プラズマ着火の改善と電力結合の向上のために、幾何学的形状に依存する共振が特定され、抑制または増強された。その場合の駆動力は、先進的なプラズマベースの材料プロセッシングにとってますます魅力的となっている時間変調電力フローのために、これらのプラズマ源をより効率的に利用することであった。我々の最小のプラズマ源タイプであるµSLANから得られた知見は、直径が0.5メートルを超える大型プラズマ源のモデル化にも成功裏に適用され、構築前に実用的な動作パラメータでの性能予測を可能にした。これらの例および性能データを提示する。