等离子体源离子注入介质靶鞘层特性的数值研究

摘要

等离子体源离子注入(PSII)作为一种重要的材料表面加工改性技术，主要被应用于金属及半导体材料表面改性领域。由于特有的优势(例如成本低、操作简单、高效率、可以处理复杂形状的样品等)，其应用范围已扩展到绝缘介质材料。然而，介质材料的导电性能较差，在利用PSII技术对其进行表面改性时受到很多限制。最大的障碍是由于电荷在介质表面积累而产生的充电效应问题。介质材料的容性使介质靶表面获得的电势比施加到金属电极上的负脉冲电压低，因而注入离子的能量达不到预期的与负脉冲电压对应的值，对注入效果有很大的影响；同时，当表面积累电荷量增加到一定程度时可能产生电弧，严重时会使设备损坏。为解决上述问题，有必要从理论上深入研究介质靶的PSII过程中鞘层的演化特性。因为在材料表面形成的鞘层的特性直接影响被加工材料的性能。同时，理论研究鞘层的扩展演化规律，还可以揭示离子注入过程的物理机理，为PSII技术在绝缘材料方面的应用提供必要的理论指导。 本文主要采用流体动力学方法，对介质靶材料的PSII过程中鞘层的时空演化特性进行了数值模拟研究，分析讨论了二次电子发射效应及各实验参数对介质靶表面充电效应和鞘层演化过程的影响。论文具体安排如下： 第一章，综述介绍了PSII技术的特点及应用、PSII鞘层演化的研究方法及介质靶PSII鞘层演化的研究现状及研究意义。 第二章，利用一维平板解析模型，研究了PSII过程中介质靶表面鞘层演化的特性，讨论了各实验参数对鞘层演化过程的影响。结果表明：由于表面充电效应的影响，在相同的参数条件下，与金属靶相比，介质靶表面附近的鞘层厚度变薄，表面有效电势降低，离子注入剂量减少。充电效应对鞘层演化特性的影响与实验中的参数密切相关。其中，等离子体密度、金属电极上施加的负脉冲电压和介质靶的厚度起主要作用，当等离子体密度较大时会产生鞘层塌缩现象。在实际的工艺过程中，可选择较低的等离子体密度，较薄的介质材料和较短的脉冲持续时间，以减少充电效应的影响。 第三章，采用流体动力学方法，针对一维介质靶PSII过程，建立了自洽的流体动力学模型，研究了鞘层的时空演化特性，讨论了二次电子发射效应、脉冲电压上升时间、靶的几何因素对表面充电效应的影响。模型将离子的连续性方程、动量方程和泊松方程与介质表面充电方程相耦合，电子密度服从玻尔兹曼分布。在表面充电方程中自洽考虑了二次电子发射效应的影响。采用该模型模拟了鞘层内各物理量(包括电势和电场、离子密度和电子密度、离子速度)的时空演化过程，同时给出瞬时的鞘层厚度、介质靶表面电势及表面积累的电荷密度。另外还计算了到达靶表面的离子能量分布情况。结果表明：二次电子发射效应明显增大了介质靶表面的充电效应，因而在研究介质靶的鞘层演化过程时是不能忽略的;脉冲电压的上升时间对鞘层的时空演化起很重要的作用，相对较长的脉冲上升时间可以减少充电效应的影响;靶表面的曲率越大，表面充电效应越大。 第四章，采用双离子流体鞘层模型分析讨论了不同离子成分比对介质靶鞘层演化特性的影响。结果显示：工作气体为氮气等离子体，其中分子离子和原子离子成分比变化时，鞘层的时空演化特性有所差异，如果N+离子成分增加会产生较大的充电效应。为避免由充电效应带来的对注入效果的影响，实际工艺中应选择合适的等离子体放电机制，尽可能提高N+2离子的成分。 第五章，在第三章的基础上，针对二维平面介质靶的PSII过程，建立了自洽的流体动力学模型描述鞘层的时空演化过程。重点分析讨论了离子注入的非均匀性问题。得出介质靶表面电势、表面积累的电荷密度、离子到达靶表面的注入角度的时空分布规律。模拟结果表明：鞘层的时空扩展是非均匀的；各物理量沿介质靶表面也呈非均匀分布。在靠近靶的边缘处这种非均匀性尤为突出；引起注入非均匀性的主要原因是靶的几何效应，而介质靶表面的充电效应加重了这种非均匀性;加大介质靶下面的金属电极的尺寸可以提高注入的均匀性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 等离子体源离子注入技术的特点及应用

1.2 PSll 鞘层演化的物理模型及研究方法

1.3 PSll 介质靶鞘层演化研究现状

1.4 本文主要研究内容及安排

2 PSll 介质靶鞘层演化的解析模型

2.1 基本物理模型

2.2 模拟结果及讨论

2.3 小结

3 PSll 介质靶鞘层演化的一维流体动力学模型

3.1 基本物理模型

3.2 模拟结果及讨论

3.3 入射到介质靶表面的离子能量分布

3.4 小结

4 离子成分比对PSll 介质靶鞘层演化的影响

4.1 基本物理模型

4.2 模拟结果及讨论

4.3 小结

5 PSll 平面介质靶鞘层演化的二维流体动力学模型

5.1 基本物理模型

5.2 模拟结果及讨论

5.3 小结

结论

参考文献

创新点摘要

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致谢