脈沖等離子體工藝中等離子體與表面相互作用數(shù)值研究.pdf

1、本文旨在以高功率調(diào)制脈沖磁控濺射(Modulated Pulsed Power Magnetron Sputtering，MPPMS)、等離子體基離子注入(Plasma-Based Ion Implantation，PBII)和等離子體基低能離子注入(Plasma-Based Low-Energy Ion Implantation，PBLEII)三種脈沖等離子體工藝為對(duì)象，建立模型并數(shù)值研究脈沖等離子體工藝中與表面相互作用的離子能量、通

2、量和均勻性，推動(dòng)相關(guān)工藝的數(shù)值研究進(jìn)展、展示脈沖等離子體特性應(yīng)用于表面改性工藝的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)數(shù)值研究MPPMS工藝放電特性對(duì)離子沉積能量、PBII工藝脈沖鞘層動(dòng)力學(xué)對(duì)離子注入電流密度和PBLEII工藝等離子體特性對(duì)離子注入電流均勻性的影響，理解脈沖等離子體工藝中等離子體與表面的相互作用，揭示工藝機(jī)理、優(yōu)化工藝參數(shù)、拓展工業(yè)應(yīng)用，并為其它脈沖等離子體表面改性工藝的數(shù)值研究起到示范作用。
　　MPPMS工藝具有高達(dá)90％以上的濺射粒子離

3、化率，荷能離子沉積獲得薄膜顯微結(jié)構(gòu)較常規(guī)磁控濺射工藝有明顯改善。MPPMS工藝放電特性直接決定了離子沉積能量、從而決定了沉積薄膜的顯微結(jié)構(gòu)、擇優(yōu)取向和晶粒尺寸，是MPPMS工藝數(shù)值研究的關(guān)鍵問(wèn)題。本文第二章建立了描述MPPMS放電的等離子體模型，模型基于離化區(qū)域粒子平衡和能量平衡并考慮了電子橫越磁力線的擴(kuò)散損失。模型計(jì)算獲得了MPPMS脈沖放電等離子體參數(shù)隨時(shí)間的變化，并實(shí)驗(yàn)研究了相應(yīng)條件下沉積Cu薄膜的顯微結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，工作氣壓由0

4、.1 Pa提高至0.7Pa，強(qiáng)離化階段電子密度由8×1018 m-3增加至接近2×1019 m-3、電子溫度由6～8 eV降低至4 eV左右、表征輸入功率中用于有效加熱電子并維持放電的有效功率傳遞系數(shù)由0.07～0.09降低至0.06左右。采用上述模型計(jì)算獲得的等離子體參數(shù)評(píng)價(jià)離子沉積能量和基片溫度，當(dāng)工藝參數(shù)改變導(dǎo)致兩者降低時(shí)，吸附原子在表面的擴(kuò)散遷移能力減弱、基片上輸入能量減小，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)觀察到的沉積Cu薄膜由擴(kuò)展結(jié)構(gòu)區(qū)域示意圖中晶粒

5、尺寸分布較大的無(wú)孔隙致密結(jié)構(gòu)Zone T向具有精細(xì)柱狀晶和晶間孔隙的欠致密結(jié)構(gòu)Zone1轉(zhuǎn)變、晶間孔隙和表面粗糙度增加、晶粒尺寸減小。模型很好的解釋了沉積薄膜顯微結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，意味著此模型已考慮了MPPMS放電主要的等離子體過(guò)程，有助于揭示MPPMS等離子體放電特性對(duì)離子沉積能量、從而對(duì)沉積薄膜顯微結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制。
　　PBII工藝在浸沒(méi)于等離子體中的樣品上施加脈沖負(fù)偏壓，可實(shí)現(xiàn)樣品各表面同時(shí)注入改性，改性效率遠(yuǎn)高于常規(guī)離子束注入工

6、藝。PBII工藝脈沖鞘層動(dòng)力學(xué)直接決定了離子注入電流密度、從而決定了改性效率，是PBII工藝數(shù)值研究的關(guān)鍵問(wèn)題。本文第三章采用離子連續(xù)性方程、離子運(yùn)動(dòng)方程和實(shí)驗(yàn)測(cè)量的等離子體擴(kuò)散系數(shù)建立了磁化等離子體擴(kuò)散流體模型，結(jié)合磁化鞘層碰撞流體模型，描述了PBII工藝中包括脈沖施加時(shí)間鞘層擴(kuò)展和脈沖間歇時(shí)間等離子體回復(fù)的全脈沖周期等離子體動(dòng)力學(xué)行為，模型準(zhǔn)確性得到實(shí)驗(yàn)診斷結(jié)果的驗(yàn)證。典型PBII工藝參數(shù)下，考慮等離子體擴(kuò)散，穩(wěn)態(tài)鞘層寬度由0.05

7、 m增加至0.06 m，相應(yīng)離子注入電流密度由4.2 A/m2降低至2.8 A/m2。增強(qiáng)等離子體擴(kuò)散的工藝參數(shù)改變會(huì)降低穩(wěn)態(tài)鞘層寬度并提高離子注入電流密度，反之亦然。不同于單脈沖情況，多脈沖作用下脈沖頻率由1 kHz提高至100 kHz，平均離子注入電流密度顯著提高，影響改性效率的限制因素由占空比轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體擴(kuò)散。改性效率隨主等離子體密度線性提高、存在橫向磁場(chǎng)時(shí)顯著降低，其它工藝參數(shù)影響不顯著。
　　PBLEII工藝采用高等離

8、子體密度結(jié)合低脈沖負(fù)偏壓，大幅減小了鞘層厚度，能夠?qū)崿F(xiàn)保形性的表面改性效果。PBLEII工藝等離子體特性直接決定了離子注入電流均勻性、從而決定了表面改性的保形性，是PBLEII工藝數(shù)值研究的關(guān)鍵問(wèn)題。本文第四章理論并實(shí)驗(yàn)研究了PBLEII全工藝過(guò)程等離子體特性與保形性表面改性，揭示了PBLEII工藝機(jī)理并獲得優(yōu)化的工藝參數(shù)。采用等離子體整體模型模擬電子回旋共振(ElectronCyclotron Resonance，ECR)微波放電產(chǎn)生

9、1011～1012/cm3高密度等離子體的物理過(guò)程，模型結(jié)果獲得實(shí)驗(yàn)診斷驗(yàn)證。采用磁化等離子體擴(kuò)散流體模型計(jì)算等離子體沿發(fā)散磁場(chǎng)擴(kuò)散至處理腔室的輸運(yùn)過(guò)程，結(jié)果表明PBLEII工藝在樣品表面產(chǎn)生均勻分布的等離子體，有利于獲得均勻的改性效果。降低工作氣壓會(huì)減小等離子體與中性粒子的碰撞，提高樣品表面等離子體密度。采用磁化鞘層碰撞流體模型計(jì)算脈沖施加時(shí)間鞘層保形性擴(kuò)展和低能離子注入過(guò)程，工作氣壓5×10-2Pa、等離子體源密度由2×1011/c

10、m3提高至5×1011/cm3,樣品表面等離子體密度由1×1010/cm3提高至2.5×1010/cm3、鞘層厚度降低、注入電流密度和改性效率提高，注入均勻性得到改善。將獲得的離子注入電流密度作為邊界條件，采用非線性動(dòng)力學(xué)離散模型描述奧氏體不銹鋼中氮離子低能注入同步熱擴(kuò)散的輸運(yùn)過(guò)程，模型計(jì)算氮濃度深度分布與EPMA測(cè)量結(jié)果一致。計(jì)算了滲氮層厚度分布以評(píng)價(jià)表面改性的保形性，在工作氣壓5×10-2 Pa和微波吸收功率300 W的優(yōu)化工藝參數(shù)