等离子体基离子注入表面改性层的数值模拟研究

摘要

本文针对等离子体基离子注入(Plasma Based Ion Implantation-PBII)过程，建立了鞘层扩展的等离子体粒子模型，模拟了在脉冲偏压作用下，离子鞘层的形成及其扩展的动力学行为；利用模拟得到的离子入射参量，结合TRIM程序，模拟了注入元素在改性层中的分布。通过设计并进行计算机试验，系统考察了PBII工艺参数、注入离子种类、靶的形状及尺寸对入射离子在工件表面分布的影响，探讨了保形性注入的变化规律，分析了改性层成分分布规律及其影响因素。 对二维典型形状工件进行等离子体粒子模拟，不仅可以掌握离子鞘层的结构特性及其扩展规律，还能获得入射离子的能量分布谱和角度分布谱，为注入层的成分分布模拟提供前提条件。根据TRIM程序模拟得到单一能量离子注入表面改性层的成分分布，利用加权叠加的方法，获得注入离子沿注入深度方向上的浓度深度分布。 模拟结果表明，鞘层内电场受到靶形状的影响而呈不均匀分布，并且随着脉冲的推进鞘层与靶的保形性逐步变差。靶的形状、尺寸以及脉冲波形会对鞘层结构及其扩展方式产生很大的影响，并影响鞘层内的离子密度分布。鞘层内不均匀的电场，决定了加速于其中的离子的运动特性，对靶表面的注入参量产生一定的影响。在靶形状和鞘层形状差异较大的部位(如凹槽侧壁和V形试样内角附近)，离子由于自身的惯性，其运动轨迹的曲率小于电力线的曲率，最终以倾斜的入射角注入靶表面。这种非垂直入射，会降低离子射程，增强溅射效应和背散射效应而显著降低保留剂量。 以非晶态Si为基体材料，设计进行了计算机试验，研究不同PBII工艺参数(包括等离子体密度，脉冲电压，脉冲波形和脉宽)下，工件表面注入剂量的分布规律及其影响因素，并对保形性注入结果进行了讨论。试验结果表明，高的峰值电压和长的脉宽都可以增大鞘层的扩展度，增加注入剂量。但随着鞘层的展宽，其向外推进的速度逐渐减慢，因此注入剂量的变化并不随电压的提高或脉宽的延长而呈线性增长。大的等离子体密度会压缩鞘层的厚度，但鞘层内稠密分布的带电粒子会增大入射离子流，并使注入剂量随离子密度的增大而提高。脉冲上升时间的存在会减缓鞘层的扩展，降低靶表面的剂量水平。尽管凹槽宽度的增大会减小鞘层的扩展度，但增强的离子偏聚效应会增大凹槽顶部的注入剂量水平，同时鞘层与靶的保形性的到了加强，凹槽侧壁的注入剂量有所提高。 注入离子种类、PBII工艺参数以及待注入工件的形状对注入离子在改性层中的分布产生较大的影响。注入元素原子质量的增大会加强注入过程中的原子阻止本领，降低离子在表面层的穿透深度，减小射程。升高的PBII脉冲电压会降低峰值能量离子所占份额，降低平均射程；脉冲上升时间的存在会减缓鞘层的扩展度，降低靶上的平均电位，从而降低了峰值能量离子所占份额，减小了注入剂量并使平均射程稍有下降；长的脉宽和高的等离子体密度都可以提高注入剂量，同时增大峰值能量离子所占份额，增大了平均射程。凹槽表面的不同位置入射离子能量分布存在很大差异，凹槽底部和侧壁高能离子所占份额的减小降低了平均射程，将浓深曲线向表面移动；离子以较大倾角入射凹槽侧壁增强了背散射效应和溅射效应，降低了平均射程并造成了较强的刻蚀效果，提高了表面层的浓度。试验结果表明，随着离子入射角的增大，表面刻蚀加剧，减小了保留剂量和平均射程。 通过建立等离子体粒子模型对PBII注入过程及注入结果的变化规律进行研究，可以深入理解PBII的物理本质，对优化PBII工艺规程从而达到预期的表面改性效果具有一定指导意义。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1选题意义

1.2等离子体基离子注入的发展现状以及存在的问题

1.2.1等离子体基离子注入技术的研究现状

1.2.2等离子体基离子注入技术的局限性

1.3 PBII的基本物理过程

1.3.1在电场下等离子体鞘层的形成及Bohm判据

1.3.2空间电荷限制发射定律

1.3.3等离子体基离子注入基本物理过程及鞘层扩展

1.4等离子体基离子注入鞘层扩展模型的研究概况

1.4.1准静态鞘层模型

1.4.2流体动力学模型

1.4.3等离子体粒子模拟

1.5保形性等离子体基离子注入的提出

1.6本文的主要研究内容

第2章PBII鞘层扩展及改性层成分分布的模拟

2.1引言

2.2等离子体粒子模型的建立

2.2.1模型假设

2.2.2方程形式

2.2.3边界条件及初始条件

2.2.4求解过程

2.3模拟的试验条件

2.3.1靶形状和尺寸的选择

2.3.2脉冲波形的选择

2.4 PBII注入元素浓深分布的模拟

2.4.1入射离子能量分布的获得

2.4.2 TRIM程序的利用

2.4.3影响离子分布的主要因素

2.4.4模拟浓深曲线的合成

2.5本章小结

第3章靶形状及注入参数对鞘层扩展特性的影响

3.1引言

3.2鞘层结构及其随时间的演化

3.2.1靶尺寸对鞘层结构及其扩展的影响

3.2.2靶形状对鞘层结构的影响

3.2.3脉冲波形对鞘层结构的影响

3.2.4鞘层的演化趋势

3.3鞘层的扩展速度

3.3.1靶尺寸对鞘层扩展速度的影响

3.3.2靶形状对鞘层扩展速度的影响

3.3.3脉冲波形对鞘层扩展速度的影响

3.4等离子体密度分布

3.4.1等离子体密度脉冲的形成及演化

3.4.2靶尺寸对等离子体密度的影响

3.4.3靶形状对等离子体密度的影响

3.4.4脉冲波形对等离子体密度的影响

3.5本章小结

第4章靶形状及注入参数对离子入射特性的影响

4.1引言

4.2离子入射能量及其演化

4.2.1靶尺寸对离子入射能量的影响

4.2.2靶形状对离子入射能量的影响

4.2.3脉冲波形对离子入射能量的影响

4.3离子入射角及其演化

4.3.1靶尺寸对离子入射角的影响

4.3.2靶形状对离子入射角的影响

4.3.3脉冲波形对离子入射角的影响

4.4离子入射流的变化规律

4.4.1靶尺寸对离子入射流的影响

4.4.2靶形状对离子入射流的影响

4.4.3脉冲波形对离子入射流的影响

4.5离子注入剂量的变化规律

4.5.1靶尺寸对注入剂量的影响

4.5.2靶形状对注入剂量的影响

4.5.3脉冲波形对注入剂量的影响

4.6本章小结

第5章注入剂量及其分布的影响因素分析

5.1引言

5.2试样参数的选择

5.3离子种类对注入剂量及其分布的影响

5.4 PBII工艺参数对注入结果的影响

5.4.1脉冲电压

5.4.2脉宽

5.4.3脉冲波形

5.4.4等离子体密度

5.5工件形状对注入剂量及其分布的影响

5.6本章小结

第6章改性层成分分布特性及其影响因素

6.1引言

6.2入射离子种类对改性层成分分布的影响

6.3 PBII工艺参数对改性层成分分布的影响

6.3.1电压

6.3.2脉宽

6.3.3脉冲波形

6.3.4等离子体密度

6.4工件形状对改性层成分分布的影响

6.5本章小结

结论

参考文献

博士后研究期间发表的论文及承担的科研项目

致谢