等离子体浸没离子注入介质材料鞘层特性模拟研究

摘要

等离子体浸没离子注入（Plasma-immersion-ion-implantation,简称PⅢ）由于其成本低廉、操作简单以及对样品能够进行高效处理，现已被广泛应用于金属、半导体以及绝缘介质材料改性等领域中。然而在实际的PⅢ工艺中，由于绝缘介质的待处理表面存在比较严重的充电效应，使得PIII在具体的应用中会面临很多问题。当施加的是负脉冲形式且幅值很高的电压时，由于介质材料容性的存在，介质表层最终得到的电势要低于所施加的负高压脉冲。在这种情况下，注入到介质层表面的离子能量就达不到理想值。此外，当表面的电荷堆积到一定程度时可能产生电弧，严重时会给待处理工件和设备带来损坏。数值模拟方法有利于研究分析上述问题，模拟的结果可以为优化实际的工艺参数提供参考。本文通过一维流体力学模型，利用C语言实现编程，对一维平面介质靶鞘层特性进行了数值模拟。
　　本研究分为三个部分：第一章，介绍了PⅢ技术的特点、应用、研究方法以及研究现状。第二章，介绍本文在具体的数值模拟时所使用的理论模型以及相关的物理理论。包括鞘层动力学理论，有碰撞和无碰撞冷流体模型，二次电子发射效应以及在具体通过使用代码实现模拟计算的过程中所使用的一些思路及方法。第三章，采用一维流体模型对平板形绝缘介质材质的待处理物体表层的PIII过程进行了数值模拟计算，得到并分析了鞘层的时空变化规律，然后具体讨论分析了各参数对离子注入实现表面改性效果的影响。结果表明：在等离子体浸没离子注入平面介质靶表层的过程中，鞘层内各物理量的变化不是均匀的。在实际的工艺中，在保证注入剂量的同时,应该有效地提高真空室中分布的等离子体的密度；为了减缓表面充电效应要尽量选择幅值大、上升沿时间长、下降沿时间较短的高压脉冲和比较薄的介质膜。

目录

声明

1 绪 论

1.1 PIII技术及其应用

1.1.1等离子体浸没离子注入技术

1.1.2 PIII技术的应用

1.2 PIII离子鞘层演化的研究方法

1.2.1解析方法

1.2.2流体动力学方法

1.2.4 PIC方法

1.3 PIII介质材料鞘层特性模拟研究现状

1.4本文研究内容

2 PIII介质材料鞘层演化的一维流体模型

2.1鞘层理论

2.2 无碰撞鞘层冷流体力学模型

2.3 碰撞鞘层冷流体力学模型

2.4 二次电子发射效应

2.5 数值求解方法

2.6本章小结

3模拟结果及讨论

3.1 鞘层内基本物理量的演化

3.2 脉冲参数的影响

3.2.1脉冲幅值的影响

3.2.2脉冲上升沿的影响

3.2.3脉冲下降沿的影响

3.3 介质靶厚度的影响

3.4 气压的影响

3.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢