等離子體離子注入表面改性與磁控濺射成膜的計算機模擬研究.pdf

1、近年來，等離子體技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，等離子體物理的理論研究也受到越來越多的關(guān)注，計算機模擬，作為實驗，理論研究以外的第三種研究手段，能夠解決傳統(tǒng)解析方法所無能為力的多維復(fù)雜問題，成為進行等離子體理論研究的有力工具。 本文針對兩個等離子體應(yīng)用技術(shù)的物理過程進行了數(shù)值模擬研究：第一部分為等離子體基離子注入(PlasmaBasedIonImplantation-PBⅡ)過程的粒子模擬(PIC-ParticleinCellsi

2、mulation)；第二部分為等離子體磁控濺射成膜過程的計算機數(shù)值模擬。 一．PBⅡ過程的計算機模擬研究 建立了等離子體鞘層擴展的粒子模型，模擬了完整脈沖時段內(nèi)的PBⅡ過程。選取有限尺寸的平板靶和凹槽形靶作為典型形狀工件分別進行了研究。文中詳細(xì)介紹了等離子體粒子模型的建立及其數(shù)值求解過程，研究了等離子體鞘層的形成及其擴展的動力學(xué)行為，分析考察入射離子流密度、入射離子角度與能量在靶表面的分布；討論了靶尺寸，靶形狀，等離子體

3、密度及脈沖寬度對靶表面入射離子各參量以及入射離子保留劑量分布的影響；結(jié)合TRIM(TransportofIonsinMatter)[73]軟件中的全碰撞多能量計算模型，模擬計算了注入離子在靶表面及進入靶后的碰撞傳輸過程，研究了改性層中注入離子的濃度深度分布。 模擬表明，鞘層內(nèi)電場受到靶形狀尺寸的影響而呈不均勻分布，并且隨著脈沖的推進，鞘層與靶的保形性逐漸變差。靶的形狀、尺寸會對鞘層結(jié)構(gòu)及其擴展方式產(chǎn)生很大的影響，并影響鞘層內(nèi)的離

4、子密度分布。鞘層內(nèi)不均勻的電場，決定了加速于其中的離子的運動特性，對靶表面的注入?yún)⒘慨a(chǎn)生一定的影響。在靶形狀和鞘層形狀差異較大的部位，如平板靶邊角處或凹槽側(cè)壁，離子由于自身的慣性，其運動軌跡的曲率小于電力線的曲率，最終以傾斜的入射角注入靶表面。這種非垂直入射，會降低離子射程，增強濺射效應(yīng)和背散射效應(yīng)，進而降低保留劑量和入射離子深度。 通過建立等離子體粒子模型對PBⅡ注入過程及注入結(jié)果的變化規(guī)律進行研究，可以深入理解PBII的物理

5、本質(zhì)，對優(yōu)化PBⅡ工藝規(guī)程從而達到預(yù)期的表面改性效果具有一定指導(dǎo)意義。 二．等離子體磁控濺射成膜的計算機模擬研究 采用多尺度模擬的方法，對等離子體磁控濺射沉膜的全過程進行了模擬研究，包括模擬等離子體的產(chǎn)生、靶體材料的濺射刻蝕，濺射原子的碰撞傳輸以及宏觀薄膜沉積過程，觀察了靶材在不同磁場分布下的刻蝕形貌，考察了成膜過程的各項參數(shù)，包括背景氣體壓強和濺射靶．基板間距，對最終薄膜宏觀形貌的影響。 首先利用PIC-MC(

6、ParticleincellandMonteCarloSimulation)模擬方法來模擬直流等離子體放電的發(fā)生過程，得到轟擊靶材的入射離子流密度分布和能量角度分布；然后利用這些已得到的數(shù)據(jù)計算靶體材料的濺射產(chǎn)額，得到靶體刻蝕剖面曲線；再通過MC碰撞模擬方法模擬濺射原子在背景氣體中的碰撞傳輸過程，跟蹤原子運動軌跡；最后得到沉積在基板上的宏觀薄膜形貌圖。 模擬結(jié)果表明，在與磁場方向平行的靶表面處，等離子體放電離子流密度較高，這一區(qū)