利用计算机仿真计算被离子束轰击的材料温度的方法

摘要

本发明公开了一种利用计算机仿真计算被离子束轰击的材料温度的方法,以克服人工实验测量被轰击材料温度不便的缺陷。本发明利用计算机仿真技术，通过热力学仿真分析，模拟仿真出被离子束轰击材料的温度随时间变化的曲线，在实际使用时只需要改变被轰击材料的参数，便可得到某种被轰击材料的温度曲线。本发明改变了常规通过实验测量离子束轰击材料温度的方式，将技术人员从繁琐的实际测温试验中解放出来，避免了一次次实际测温试验的准备、试验数据的记录分析以及试验后期数据的处理，大为提高科研人员利用离子束研究各种材料特性的工作效率，并可以较为方便地为被轰击材料温度上升导致不利状况提供提前预防的空间。

说明书

技术领域

本发明涉及一种计算离子束轰击材料温度的方法，属于离子束应用技术领域。

背景技术

离子束是在真空条件下，在离子源的离化室对惰性气体离化后，经过加速、集束等步骤，获得具有一定速度并且带有一定束能的离子流，用得最多的是氩离子。离子束一般应用在以下四个方面：①离子刻蚀；②离子束溅射沉积镀膜；③离子束溅射辅助镀膜；④离子注入。

在离子束对材料表面的轰击过程中，其部分动能转移到被轰击材料表面上，造成材料表面温度上升，由于该工艺是在真空中进行，所以非常不利于散热(没有对流散热，热传导也很有限，散热主要是以辐射的方式进行)，这可能会对被轰击材料表面的性质造成改变。因此，对离子束轰击造成的热效应进行研究、对被轰击材料表面温度上升造成危害的提前预防就显得非常重要。

目前，现有技术中对于被轰击材料表面温度的测量，一般的测量手段都是实验间接测量离子束轰击某种材料后所产生的温度，而实际的测温试验需要耗费较长的试验准备时间，并且试验过程中试验数据的记录分析和试验后期数据的处理也需要耗费较长时间，对实践中被轰击材料的温度测量造成了很多麻烦，浪费人力物力。

发明内容

为了解决上述问题，克服人工实验测量被轰击材料温度的不便，本发明提供了一种利用计算机仿真计算被离子束轰击的材料温度的方法，本发明原理是利用计算机仿真技术，通过热力学仿真分析，模拟仿真出被离子束轰击材料的温度随时间变化的曲线，在实际使用时只需要改变被轰击材料的参数，便可得到某种被轰击材料的温度曲线，而不需要每次都做实际的测温试验。

本发明采用的具体技术方案如下：

步骤一：计算离子束能量密度分布函数

1、使用离子束对被轰击材料进行定点定时刻蚀，在离子束轰击前与轰击后，分别使用激光干涉仪测量被轰击材料表面的面型数据，使用轰击前的面型数据减去轰击后的面型数据得到刻蚀量，再除以刻蚀所耗费的时间(即轰击时间)，从而获得被轰击材料的单位时间刻蚀速率(以下称为材料去除工作函数)；

材料去除工作函数＝(轰击前面型数据-轰击后面型数据)/轰击时间；

2、将材料去除工作函数(类高斯分布)转换为离子束能量密度分布函数，该离子束能量密度分布函数可以直接被下一步ANSYS热力学仿真分析所调用。

计算离子束能量密度分布函数的具体方法为：

①单位时间内去除的材料体积＝材料去除工作函数×(1.0×10^-6)×像素尺寸²；

②单位时间内轰击到材料上的离子数量＝(离子束电流/1000)/1.602176565×10^-19(1.602176565×10^-19是每个电子的带电量)；

③一个离子去除材料的体积＝单位时间内去除的材料体积/单位时间内(1秒)轰击到材料上的离子数量；

④计算得出单位时间内离子束能量最大值＝单位时间内轰击到材料上的离子数量×每个离子的能量(1000～1200电子伏特)；ANSYS仿真里面需要用到单位时间内离子束能量最大值参数，该参数用于指示单位时间内离子束能量的最大值，也就是在ANSYS热力学仿真中假设离子束所携带的能量没有任何损失全部转换为热能传递到被轰击材料上。

⑤计算得出离子束分布函数＝[材料去除工作函数×(1.0×10^-6)×像素尺寸²]/一个离子去除材料的体积；

⑥每个离子的能量是1000～1200电子伏特，根据以下公式计算得出离子束能量密度分布函数：离子束能量密度分布函数＝[离子束分布函数×每个离子的能量×(1.602176565×10^-19)]/[(像素尺寸/1000)×(像素尺寸/1000)],单位是焦耳/平方米；

经过计算得出：离子束能量密度分布函数＝88500/exp(({X}²+{Y}²)/0.081)

上述单位时间内均指1秒内。

步骤二：进行热力学仿真分析

使用ANSYS软件对被轰击材料进行建模，调用步骤一所产生的离子束能量密度分布函数进行热力学仿真分析，设定分析时间和选取被轰击材料模型背面温度点，经过ANSYS软件的计算得出所选温度点随时间变化曲线。

ANSYS热力学仿真分析的步骤具体为:

①进入ANSYS软件的前处理器，定义被轰击材料模型的单元类型采用热分析单元SOLID90单元类型，它属于高阶精度的求解单元。定义材料的热传导率、密度和比热容这三个参数，ANSYS热力学分析是与材料的这三个参数直接密切相关的,这三个参数缺少一个就无法进行ANSYS热力学仿真分析；

②建立被轰击材料模型，指定其单元类型为SOLID90并划分单元网格；

③使用ANSYS软件读入步骤一产生的离子束能量密度分布函数＝88500/exp(({X}²+{Y}²)/0.081)，X和Y是施加在模型节点上离子束能量密度分布函数的值，然后ANSYS会自动计算出施加在该点(X,Y)的离子束能量大小。离子束能量密度分布函数，该函数在数学表达上一个连续曲面函数，但是在ANSYS热力学仿真过程中，因为计算机模型是一些节点构成，把离子束能量密度分布函数这个连续曲面覆盖在由一些节点构成的模型上，计算机会自动找到覆盖在模型节点上离子束能量密度分布函数的(X，Y)值，从而自动计算出覆盖在该节点上的离子束能量密度分布函数的大小。定义高斯热源表格，提前设置热转换效率系数为可变量系数(0～100％)，高斯热源＝单位时间内离子束能量最大值×88500×热转换效率系数/exp(distance**2/0.081),其中的distance＝sqrt(a**2+b**2)，a和b是步骤一中离子束的像素尺寸的值；

④施加高斯热源表格到被轰击材料模型表面，设定初始温度，设置求解选项瞬态分析，然后加热求解。

进一步，像素尺寸是指使用若干个正方形小块分割材料去除工作函数，这些正方形小块水平和垂直方向的尺寸大小，单位是毫米，该参数属于自定义，取值范围根据材料去除工作函数的大小来定，如果材料去除工作函数大小在40mm×40mm以内，像素尺寸大小可以取值1.5mm，也就是使用1.5mm×1.5mm的正方形小块来分割材料去除工作函数。一般来说，像素尺寸大小取值范围是0.5mm，1mm,1.5mm,2mm。取值依据是，当材料去除工作函数大小在20mm×20mm以内，像素尺寸可以选取0.5mm；当材料去除工作函数大小在30mm×30mm以内，像素尺寸可以选取1mm；当材料去除工作函数大小在40mm×40mm以内，像素尺寸可以选取1.5mm；当材料去除工作函数大小在50mm×50mm以内，像素尺寸可以选取2mm。

进一步，在热力学仿真分析中，需要设定离子束能量密度分布函数的热转换效率系数，也就是在ANSYS中定义热转换效率系数为可变量系数(范围在0～100％)，该系数是用以调节实际测温曲线与热力学仿真分析得到的测温曲线之间的差异大小，该系数的取值应尽量做到模拟测温曲线和实际测温曲线误差最小。

定义离子束热转换效率系数的原因是，离子束所携带的能量(包含热能)，一部分直接传递给被轰击材料，另一部分通过原子之间的碰撞，把离子的动能转化成为热能传递给被轰击材料，把这两种热传递综合为一个热转换效率系数，该系数的作用是用于指示离子束所携带的能量有多少转换成了热能传递给被轰击材料。

进一步，在步骤二④的ANSYS求解前，设定施加高斯热源总的时间是30分钟，一般离子束对材料的表面进行定点轰击15分钟材料就可以达到热稳定，故最大设定30分钟已经足够。

通过采用上述技术方案，本发明能够实现如下技术效果：

本发明的模拟仿真方法改变了常规通过实验测量离子束轰击材料温度的方式，而是通过热力学仿真分析，模拟仿真出被离子束轰击材料的温度随时间的变化曲线，对于不同的轰击材料，只需改变材料的三个参数即可得到该种材料的温度变化曲线。经试验验证，本发明方法与实际测温试验的结果仅存在微小误差。

本发明方法的适用，能够将技术人员从繁琐的实际测温试验中解放出来，避免了一次次实际测温试验的准备、试验数据的记录分析以及试验后期数据的处理，大为提高科研人员利用离子束研究各种材料特性的工作效率。另外，由于某些材料在高温下会面临材料特性的改变，因此本发明的应用可以较为方便地为被轰击材料温度上升导致不利状况提供提前预防的空间。

附图说明

图1是本发明实施例中实际测温实验的装置示意图。

图2是本发明实施例中实际测温实验的测温点示意图，图中有两个实际测温点，一个是位于离子束中心的A测温点，另一个是距离中心20毫米的B测温点。

图3是本发明实施例中实际测温实验的两个测温点A和B的温度随离子源中和灯丝热辐射时间增加的温度曲线图。

图4是本发明实施例中ANSYS热模拟仿真和实际测温实验结果对比图，C代表ANSYS模拟A测温点，D代表ANSYS模拟B测温点。

图中标记代表：1.离子源本体；2.汇聚离子束；3.被轰击材料；4.五个温度探头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

采用本发明方法得到测温曲线的过程如下：

步骤一：计算离子束能量密度分布函数

1、使用离子束对被轰击材料进行定点定时刻蚀，刻蚀时间1.5分钟。在离子束轰击前与轰击后，使用激光干涉仪测量被轰击材料表面的面型数据，使用轰击前的面型数据减去轰击后的面型数据得到刻蚀量再除以刻蚀所耗费的时间从而获得被轰击材料的单位时间刻蚀速率(以下称为材料去除工作函数)；

材料去除工作函数＝(轰击前面型数据-轰击后面型数据)/轰击时间；

2、把材料去除工作函数(类高斯分布)转换为离子束能量密度分布函数，该分布函数可以直接被下一步ANSYS模拟分析所调用。

计算离子束能量密度分布函数的具体方法为：

①单位时间内(1秒)去除的材料体积＝材料去除工作函数×(1.0×10^-6)×像素尺寸²；

②单位时间内(1秒)轰击到材料上的离子数量＝(离子束电流/1000)/1.602176565×10^-19(1.602176565×10^-19是每个电子的带电量)；

③一个离子去除材料的体积＝单位时间内(1秒)去除的材料体积/单位时间内(1秒)轰击到材料上的离子数量；

④计算得出单位时间内(1秒)离子束能量最大值＝单位时间内(1秒)轰击到材料上的离子数量×每个离子的能量(1000～1200电子伏特)；

⑤计算得出离子束分布函数＝[材料去除工作函数×(1.0×10^-6)×像素尺寸²]/一个离子去除材料的体积；

⑥每个离子的能量是1000～1200电子伏特，根据以下公式计算得出离子束能量密度分布函数：

离子束能量密度分布函数＝[离子束分布函数×每个离子的能量×(1.602176565×10^-19)]/[(像素尺寸/1000)×(像素尺寸/1000)],单位是焦耳/平方米；

经过计算得出：离子束能量密度分布函数＝88500/exp(({X}²+{Y}²)/0.081)。

步骤二：进行热力学仿真分析

使用ANSYS软件对被轰击材料进行建模，调用步骤一所产生的离子束能量密度分布函数进行热力学仿真分析，设定分析时间和选取被轰击材料模型背面温度点，经过ANSYS软件的计算得出所选温度点随时间变化曲线。

ANSYS热力学仿真分析的步骤具体为:

①进入ANSYS软件的前处理器，定义被轰击材料模型的单元类型采用热分析单元SOLID90单元类型；定义材料的热传导率、密度和比热容参数；

②建立被轰击材料模型，指定其单元类型为SOLID90并划分单元网格；

③使用ANSYS软件读入步骤一产生的离子束能量密度分布函数＝88500/exp(({X}²+{Y}²)/0.081)，X和Y是施加在模型节点上离子束能量密度分布函数的值，然后ANSYS会自动计算出施加在该点(X,Y)的离子束能量大小。定义高斯热源表格，提前设置热转换效率系数为可变量系数(0～100％)，高斯热源＝单位时间内离子束能量最大值(88500)×热转换效率系数/exp(distance**2/0.081),其中的distance＝sqrt(a**2+b**2)，a和b是步骤一中离子束像素尺寸大小；

④施加高斯热源表格到模型表面，指定初始温度(环境温度10摄氏度)，设置求解选项瞬态分析，然后加热求解。在ANSYS求解前，设定施加高斯热源总的时间是30分钟，一般离子束对材料的表面进行定点轰击15分钟材料就可以达到热稳定，故最大设定30分钟已经足够。

为了验证本发明方法，下面进行被离子束轰击材料的背面温度实际测温实验：

试验对象：直径100mm，厚度5mm的石英玻璃圆片。

测温仪器：WZP-PT100温度传感器，美控MEACON数显温控仪。

试验过程：使用束流20～30毫安的聚焦离子束对石英玻璃圆片进行定点轰击，轰击点有两个，A测温点位于圆片背面中心，B测温点距离中心点20mm，轰击距离12CM，离子源工作参数见表1。

表1离子源工作参数表

步骤一：如图1、图2所示，准备一块厚度约5mm的石英玻璃板。板材的一面画一个直径约40mm的圆(此圆的大小根据离子束斑覆盖面积的大小而定，本试验中离子束斑直径约100mm，该圆的大小取值范围在0～100mm)，使用耐高温的胶粘牢两个温度探头，该圆中心放置一个温度探头，在圆上放置一个温度探头。因为离子束斑所产生的温度分布呈现圆对称分布，所以也可以在圆心的上下左右等距离各分布一个温度探头，故温度探头的数量可以在两个到五个之间。温度探头的信号线分为真空室内线和真空室外线，通过真空接插件穿过真空室壁进行连接。

步骤二：启动真空泵对真空室抽真空，当真空度到达10^-3Pa这个级别时，向真空室释放惰性气体(一般是氩气)，流量10SCCM，此时可以启动射频离子源，射频离子源的射频功率在100～130瓦，束能在1000～1200电子伏，加速电压在100～110伏，中和灯丝电子流约100～200毫安，此时的真空度在2.5×10^-2～3.5×10^-2Pa，此时的离子束流20～30毫安。

步骤三：离子束产生后，把离子源移动到被轰击板材的12CM处停留，离子束的中心需要正对位于中心的温度探头，此时离子源口距离被轰击材料表面12CM。根据不同材料的板材，温度探头所测温度的稳定时间不一，慢的需要十几分钟，快的大概一两分钟就可稳定。记录稳定后的两个温度探头的温度值，每间隔1分钟记录一次。

实际测温实验结果如下：

图3是A测温点和B测温点的温度随离子源中和灯丝热辐射时间增加的温度曲线图，初始温度都是13℃，真空度是1.9×10^-3Pa。需要预先做A测温点和B测温点随中和灯丝热辐射时间增加的温度曲线图，因为离子束在工作的过程中需要中和灯丝产生的电子流来中和离子束所带的正电荷，否则离子束会因为不导电的介质材料上堆积太多正电荷而无法正常工作。而中和灯丝在工作的过程中会产生大量辐射热，从而会影响到在ANSYS热力学仿真中仅仅只有离子束对被轰击材料产生的热效应，所以实际测温试验需要把中和灯丝产生的热效应排除在外。

ANSYS热分析模拟试验，环境温度是10℃，离子束能量转换系数是1.5％，同时去除中和灯丝热辐射的影响，也就是在同一时间减去中和灯丝造成的材料温度上升。ANSYS热力学仿真分析中并未考虑离子源中和灯丝对被离子束轰击的材料所造成的温度上升，所以在实际测温试验中，环境温度是10℃，图4中的A测温点和B测温点的温度都扣除掉中和灯丝照射所造成的温升影响，见图3。

将上述实际测温实验结果与本发明方法的仿真结果相比较，参见图4。C代表ANSYS模拟A测温点，D代表ANSYS模拟B测温点。图4中的A和C代表了位于离子束斑中心点的温度曲线，温度误差第15分钟有10摄氏度的误差，12分钟前这两条温度曲线吻合的比较好。图4中的B和D曲线代表了位于离子束斑中心点20mm出的温度曲线图，二者的趋势吻合的比较好，但是存在10摄氏度的误差，这是因为该方法中计算机建模是采用了简化了的模型。ANSYS热力学仿真得到的温度曲线和实验记录温度探头得到的温度曲线会存在一些误差，但是总体趋势是一样的。因为在真空环境中温度场比较复杂，ANSYS热力学仿真是建立在理想化的温度场基础上的，故存在一些误差。一般误差在10摄氏度范围之内，这对于被离子束轰击的材料能够达到200摄氏度来说，误差5％是可以接受的。

本发明不限于上述实施例，一切采用等同替换或等效替换形成的技术方案均属于本发明要求保护的范围。