等離子體離子注入表面改性與磁控濺射成膜的計(jì)算機(jī)模擬研究.pdf

1、近年來(lái)，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(lái)越多的關(guān)注，計(jì)算機(jī)模擬，作為實(shí)驗(yàn)，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(wú)能為力的多維復(fù)雜問題，成為進(jìn)行等離子體理論研究的有力工具。 本文針對(duì)兩個(gè)等離子體應(yīng)用技術(shù)的物理過程進(jìn)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(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。 一．PBⅡ過程的計(jì)算機(jī)模擬研究 建立了等離子體鞘層擴(kuò)展的粒子模型，模擬了完整脈沖時(shí)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(jìn)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(kuò)展的動(dòng)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(duì)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(jì)算模型，模擬計(jì)算了注入離子在靶表面及進(jìn)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(chǎng)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(jìn)，鞘層與靶的保形性逐漸變差。靶的形狀、尺寸會(huì)對(duì)鞘層結(jié)構(gòu)及其擴(kuò)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(chǎng)，決定了加速于其中的離子的運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)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(yùn)動(dòng)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(huì)降低離子射程，增強(qiáng)濺射效應(yīng)和背散射效應(yīng)，進(jìn)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(duì)PBⅡ注入過程及注入結(jié)果的變化規(guī)律進(jìn)行研究，可以深入理解PBII的物理

5、本質(zhì)，對(duì)優(yōu)化PBⅡ工藝規(guī)程從而達(dá)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(jì)算機(jī)模擬研究 采用多尺度模擬的方法，對(duì)等離子體磁控濺射沉膜的全過程進(jìn)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(chǎng)分布下的刻蝕形貌，考察了成膜過程的各項(xiàng)參數(shù)，包括背景氣體壓強(qiáng)和濺射靶．基板間距，對(duì)最終薄膜宏觀形貌的影響。 首先利用PIC-MC(

6、ParticleincellandMonteCarloSimulation)模擬方法來(lái)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(jì)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(yùn)動(dòng)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(chǎng)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)