（等离子体物理专业论文）强流脉冲离子束与双层靶相互作用的数值研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 强流脉冲离子束在近二十年的发展历程中显示出其在材料科学领域里的优越性，这 种技术是利用短脉冲高功率密度的离子束辐照材料表面，引起材料表面快速加热和快速 冷却来改变材料表面的结构和成分。这项技术在工业上已经取得了独特而广泛的应用， 如材料表面改性、薄膜生长以及纳米粉的制备等。脉冲离子束与靶材作用时间极短，因 此十分有必要从理论上进行研究。 离子束通过金属界面时则会引起不同类金属原子间的交互混合，对镀有单层金属薄 膜的衬底而言，轰击后由于电子阻止作用的结果导致界面处化学键合作用增强，可增强 膜的粘附性、稳定性并防止起层，这被称之为离子束缝合。在集成电路、光学元件、磁 元件和保护工艺等领域，离子束缝合都得到了广泛应用。 以三束材料改性国家重点实验室从俄罗斯引进的t e m p 型强流脉冲离子束加速器的 工艺参数为依据，根据磁绝缘二极管电压和离子流密度建立的脉冲能量模型，采用m o n t e c a r l o 方法，数值模拟了具有g a u s s i a n 能量分布的强流脉冲离子束与具有双层靶结构的 镀有金膜的铝靶的相互作用。 研究了强流脉冲离子束辐照双层靶后的能量沉积过程，计算出了能量随时空演化的 结果。在离子流密度峰值分别为i o o a c m 2 和3 0 0 a c r n 2 时，给出了金膜厚度不同时入 射深度内尤其是界面处的能量沉积分布规律，根据聚乙烯涂层产生的碳、氢离子的不同 入射深度，分析了金膜厚度及离子流密度对能量沉积和熔化深度的影响，并对脉冲离子 束强化薄膜粘结性进行了探讨，指出可以通过改变磁绝缘二极管电压、离子流密度以及 膜厚等方法，控制界面处的紧密程度。 关键词：强流脉冲离子束；m o n t oc a ri o 方法；双层靶；能量沉积 强流脉冲离子束与双层靶相互作用的数值研究 n u m e r i c a ls t u d yo ni n t e r a c t i o no fi n t e n s ep u l s e di o nb e a ma n d d o u b l e l a y e rt a r g e t a b s t r a c t i n t e n s ep u l s e di o nb e a mi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tf o rm a t e r i a ls c i e n c e t h i s t e c h n o l o g yi n c l u d et h a tt h em a t e r i a li si r r a d i a t e db ys h o r t - p u l s e da n dh i g h - p o w e ri o nb e a m ， t h e nt h es t r u c t u r ea n dc o m p o n e n to ft h es u r f a c eo fm a t e r i a li sc h a n g e db e c a u s eo fp r o m p t h e a t i n ga n dc o o l i n g i ni n d u s t r yf i e l di n t e n s ep u l s e di o nb e a mh a sb e e na p p l i e df o rm a t e r i a l m o d i f y i n g 、f i l mg r o w t h 、p r e p a r a t i o no f n a n o s i z cp o w d e r s 1 1 地m i x t u r ea m o n gt h ed i f f e r e n tk i n do fm e t a la t o mw i l lh a p p e nw h e ni o nb e a m b o m b a r dt h em e t a lt a r g e tc o a t e db ym e t a lf i l m , b e e a u $ eo fe l e c t r o ns t o p p i n gp o w e r , c h e m i c a l b e n d 吨a ti n t e r f a c eg e te n h a n c e d , t h ea d h e s i o na n ds t a b i l i t yg e tm o d i f i e d t h i s sc a l l e do f i o nb e a ms t i t c h i n g i ni n t e f a t e dc i r c u i t 、o p t i c a ld e m e n t 、m a g n e t i cd e m e n ta n dp r o t e c t i o n t e c h n o l o g yf i e l d sa n ds oo n , t h ei o nb e a ms t i t c h i n gh a sb e e np a ym o r ea t t e n t i o n a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e ro ft h et e m pt y p ea c c e l e r a t o ri m p o r t e df r o m r u s s i a , n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ni n t e r a c t i o no fi n t e n s ep u l s e di o nb e a mf o rg a u s s i a n d i s t r i b u t i o na n dad o u b l e - l a y e ra l u m i n u mt a r g e tc o a t e db yat h i nf i l mo f g o l dh a sb e e nm a d e b ym o n t ec a r l om e t h o d t h cs p a t i a la n dt e m p o r a le v o l u t i o no fd e p o s i t e de n e r g yc a l lb eo b t a i n e d t h es t a t e so f d e p o s i t e de n e r g yu n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n tg o l dt h i c k n e s sa l - ed i s c u s s e d , a n dt h e e n h a n e e da d h e s i o na ti n t e r f a c e sb y 口i bi si n v o l v e d k e yw o r d s ：i n t e n s ep u l s e di o nb m ：m o n t ec a r l om e t h o d td o u b l e - l a y e rt a r g e t ； e n e r g yd e p o s i t i o n i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：王煎垒日期：j 竺! ：! ：墨 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：至骁叠 导师签名：望毖 理年月日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 强流脉冲离子束介绍 强流脉冲离子束( i n t e n s ep u l s e di o nb e a m ，i p i b ) 或称高功率密度离子束( h i g h - p o w e r p u l s ei o nb e a m ，h p i b ) 技术最早是在2 0 世纪7 0 年代中期作为受控热核反应和加速器而 发展起来的离子束技术，是仍处在发展中的崭新的离子柬材料改性技术，并在薄膜生长、 纳米粉制备以及半导体基片的短脉冲离子注入等领域有着广阔的应用前景。 这种技术是利用短脉冲高功率密度的离子束辐照材料表面，引起材料表面快速加热 和快速冷却来改变材料表面的结构和成分，以提高材料的耐磨性、耐腐蚀性和硬度等。 短脉冲宽度可达到几十埘到几个脚，沉积到材料表面的能量密度可高达几个到几十个 j c m 2 ，这足以使材料表面熔化、汽化和等离子化，其降温速率可达到1 0 。1 2 k s o 。在 这样快速地加热和降温过程中由于冷缩热胀的结果，也会在材料表面引起强大的应力 波，而在更深的层面改变了材料表面结构和特性。由于处理速度快，不影响材料基体性 能，经过处理后，材料表面摩擦学特性、化学特性、磁学和光学特性均得到了提高，因 此2 0 世纪8 0 年代初即引起了人们广泛的关注，发表了许多的研究成果。 1 2 强流脉冲离子束的产生 1 2 1 产生装置 强流脉冲离子束的产生是由脉冲功率引出脉冲强流离子束的过程，其关键部件包括 高压脉冲发生器和真空二极管。高压脉冲发生器又称m a r x 发生器，这种装置可以提 供不同的脉冲电流、电压和脉冲宽度。而真空二极管的种类很多，包括：磁约束阳极等 离子体二极管( m a g n e t i e a lc o n f i n e da n o d ep l a s m ad i o d e ) ，简称m a p 二极管；磁绝缘 离子二极管( m a g n e t i c a l l yi n s u l a t e di o nd i o d e ) ，简称为m i d 二极管；高压离子二极管 ( h i g hv o l t a g ei o nd i o d e ) ，简称为h v i d 二极管，以及i o n o t r o n 二极管、p f 发生 器等等“1 。 1 2 2 加速器设备 强流脉冲离子束加速器有很多种，包括t e m p 加速器、m u k 加速器、a n a c o n d a 加速器、c h a m p 加速器、e t i g o 加速器等“1 。对每一项具体的应用来说，将取决于所 使用的设备提供的电压、离子流密度以及材料本身的热物理性质，而加速器提供的能量 及加工处理方式，将直接影响处理材料的范围、参数的选择及最终表面改性的效果、沉 强流脉冲离子束与双层靶相互作用的数值研究 积薄膜的质量及纳米粉的合成等问题。下面就计算中所使用到的三束材料改性国家重点 实验室从俄罗斯引进的t e m p 型强流脉冲离子束加速器进行介绍。 1 加速器结构 图1 11 1 1 m p 加速器结构示意图 1 、螂关2 一电压分压器a3 脉冲成形电极5 m a r x 脉冲发生器6 一充电电感7 一r o g o w s k y 线圈8 一电压分压器b9 一磁绝缘高压真空二极管1 0 真空靶室1 l 一真空系统1 2 旋转靶 f i 晷1 1s t r u c t u r eo f t e m pt y p ea c c e l e r a t o r l 、4 一s w i t c h2 - - v o l t a g ed i v i d e r i3 - - e l e c 仃o d e so f p u l 辩- f o r m i n gl i n e5 _ m a r ) 【g e n e r a t o r6 - - - c l l a r g i n g i n d u c t o r7 - - r o g o w s k yc o i l8 - - v o l t a g ed i v i d e l 29 - - - m a g n e t i c a u yi n s u l a t e di o nd i o d e1 0 - - - v a e u u m c h a m b e r1 l _ v 8 9 u u n lp u m pp a c k a g e1 2 - - t a r g e t 图1 1 为t e m p 加速器结构示意图。m a r x 脉冲发生器由7 级倍压电路组成，可将 4 0 , - 6 0 k v 的直流高压增加到峰值为3 0 0 k v 的高压。通过脉冲成形线将从m a r x 脉冲发生 器输入的脉冲进行整形，然后通过放电间隙给磁绝缘二极管( 见图1 2 ) 充电，成形后的脉 冲宽度大约为8 0 n s ，可以给出- 1 5 0 k v 和+ 3 0 0 k v 的两组脉冲电压。达到靶上的单电荷离 子能量为0 - - 4 0 0 k e v ，束流强度为4 0 2 0 0 k a 。引出束流的面积为4 5 e m * 2 0 e m ，不均匀 度不超过2 0 。调节磁绝缘二极管与靶的距离可以改变离子流密度“1 。 2 磁绝缘二极管工作原理 大连理工大学硕士学位论文 a n o d e c a t h o d e o nb e a m 图1 2l v i i d 及真空靶室图 f i g 1 2p r o f i l eo f m i da n dc h a m b e r ( ger e m n e vt o m s ks u r f c o a t i n gt e e h n 0 1 9 6 ( 1 9 9 7 ) 1 0 3 ) a n o d ec a t h o d e 图1 3 磁绝缘二极管原理图 f i g 1 3p r i n c i p l eo f m i do f t e m pt y p e m i d 两极间产生等离子体后，大量电子向阳极移动，将阻碍离子的引出。为使电子 不能到达阳极，在两极间加磁场，其方向与电极面平行，与极间电场方向垂直，如图1 3 强流脉冲离子束与双层靶相互作用的数值研究 所示。电子受到磁场洛仑兹力的作用，方向发生偏转，不能到达阳极，起到了绝缘的作 用。又由于离子的质量比电子大很多，使得磁场对离子的影响非常小，离子能够引出。 3t e m p 加速器工作参数 改进的t e m p 型加速器当m i d 阳极采用聚乙烯涂层时，束流由7 0 h + 和3 0 c + 构 成，当m i d 采用石墨阳极时，束流由7 0 c + 和3 0 h + 构成。磁绝缘二极管电压1 1 m v ， 电流7 0 k a ，离子流密度1 5 0 0 a c m 2 。 表1 1t e m p 加速器工作参数一览表 t a b 1 1w o r k i n gp a r a m e t e r so f t e m pa c c e l e r a t o rs y s t e m 国家装置 e k e vi k ar n s 离子u m v j a 硎_ 2 俄罗斯t e m p 3 0 04 0 - 1 5 01 0 0h + 、c +一1 1 。1 5 0 0 注：e 为引出能量；i 为束流；f 为脉冲宽度；u 为加速电压；j 为离子流密度。 如表1 1 “1 所示，t e m p 型强流脉冲离子束加速器的工作参数。离子束流中离子的能 量可以通过改变m i d 的电压进行调节。实际上工件表面接受到的能量还与离子流密度、 脉冲离子束的持续时间及累计的轰击次数等几个工艺参数有关。工件距m i d 阳极的远 近对入射能量有很大影响，从m i d 引出的离子束聚焦到其焦点，当离m i d 的距离变化 时，离子流密度不同，从而影响入射能量”。 1 3 强流脉冲离子束的应用 1 ) i p i b 脉冲注入表面改性“ i p i b 脉冲注入所引起的金属表面改性主要是由于强脉冲注入使金属表面经历了强 烈的非平衡热力学运动所造成的。在这种热力学作用下，新的化合物形成、缺陷的凝聚 和扩散，从而改变了注入区成分和结构。同时在靶内产生强烈的热应力和冲击波的传播， 加大了作用区范围和改性效果，增加了结构变化的区域，达到深层改性的目的。这种成 分和结构的变化也即改变了材料的表面形貌、硬度、抗磨损特性、抗腐蚀特性和抗氧化 等特性。 2 ) i p i b 辐照沉积技术“1 当i p i b 的束流密度为l o 5 0 d c m 2 时，一般会导致靶材料表面蒸发和电离，蒸发出 的高密度( 1 0 1 9 e m 2 ) 和较高能量( 1 2 0 e v ) 的离子形成烧蚀羽状物奔向基体而沉积形 成薄膜。一般来说聚焦的重离子束由于射程短和单位质量中所沉积的能量高，因此比轻 离子( h ，c ) 效果更好。目前可以沉积金属膜：w 、t i 、m o 、n b 、a u 、a i 、c u 、z n 等。 4 一 大连理工大学硕士学位论文 这种镀膜技术同常规镀膜方法相比有以下的特点：沉积速率快，一般为 1l l m l s lc m s ；沉积膜可保持基本的化学配比；沉积时不会出现坩埚和灯丝的污染； 高速沉积减少了真空室本底的污染。 3 ) 纳米粉末的制备 利用气压为1 3 3 3 - 1 3 3 3 3 p a 气氛，在高能量密度轰击下，使等离子体过饱和析出可 以制备出直径为5 2 5 n m 的超精细纳米粉。如果采用金属靶，工作气体为氧，则可产生 氧化纳米粉，通入氮气可得到金属氮化物纳米粉、通入含碳的氢化物气体，可得到金属 碳化物纳米粉“”1 。 4 ) 表面淬火 当高能量密度( 1 1 0 j c m 2 ) 的离子脉冲快速辐照到材料表面，使材料表面熔化，高 速降温( 1 0 9 k s ) 比常规淬火速率高出几个数量级，则可形成非晶和纳米晶粒结构层， 使材料表面得到强化“。 1 4i p i b 研究现状及研究中的问题 近二十年强流脉冲离子束的应用研究越来越受到重视，从美国康奈尔大学采用i p i b 轰击半导体时发现可以改变其性质开始，i p i b 逐渐显示出其在材料科学领域里的优越 性。美国s a n d i a 国家实验室，a l a m s 国家实验室，俄罗斯的t o m s k 核物理研究所，日 本的长冈技术科学大学，以及德国、波兰等国家都相继开展了相关方面的研究。并且在 表面改性研究”、物体及表面结构相态和强化问题、熔坑形成及分布问题”、薄膜 生长及纳米粉的制备”“等方面都进行了大量的研究工作嘲。 国内的大连理工大学三束材料改性国家重点实验室、西北核技术研究所、北京大学 重离子国家重点实验室、北京航空航天大学等科研单位也都开展了相关的理论和实验研 究。并且在金属钛材料改性研究、“火山坑”的形成机制“8 、沉积类金刚石薄膜研 究“。、喷发等离子体速度研究“”、高功率脉冲离子束产生及诊断技术研究“”、热力学效 应研究“”、箍缩型二极管的i p i b 产生研究1 、表面改性研究1 、热应力分布及激波的 出现研究。”、m i d 中粒子的动力学过程模拟研究等方面都取得了丰硕的研究成果。 与此同时，对i p i b 的研究中仍存在着一些问题。1 ： 1 ) 对表面改性或薄膜生长等不同的研究目的，不能有效地控制i p i b 参数，如m i d 的电压、束流的能量密度等，只能多次试验，凭借经验选取参数，手段单一。效 率很难提高； 2 ) 模型应用不准确，没有充分考虑离子与靶材的作用，没有与脉冲激光和脉冲电子 束烧蚀完全区别开。因为i p i b 与靶材相互作用时，离子射入靶材内部，而激光则 强流脉冲离子束与双层靶相互作用的数值研究 是在材料表面对其进行辐照，电子束将射入靶材内部更深处，采用统一的模型对 研究材料表面改性及薄膜生长都是不准确的。应针对不同的束流种类建立不同的 模型，以达到理论与实际的统一，充分发挥理论的指导作用。 3 ) 一些实验现象还得不到准确的理论阐述。 4 ) 最优化参数很难确定等。 目前，针对强流脉冲离子束的实验研究较多，而理论研究相对较少。如果要深入研 究口i b 与靶材相互作用的机制，通过控制其参数，以实现不同的应用，那么用以建立 合理物理模型的计算机辅助研究是必不可少的研究手段，对具体实验有着实际的指导作 用。 1 5l p i b 技术特点 i p 技术的特点源自于超短脉冲和超高能量密度的离子束，对所注入的材料有着比 常规离子束更强的相互作用，出现熔化汽化现象，使材料表面改性效果更强，改性深度 更深，由此其特点如下“1 ： 1 ) i p i b 注入改性的主导因素是离子束的能量密度和功率密度，注入量在 1 0 1 气1 0 1 4 c m 2 ，即可以得到很好的改性效果，而常规离子注入则需要注入量1 0 1 7 e m 2 方可见效，因此i p m 注入效率可以提高4 个数量级。 2 ) 口m 注入改性层是表面注入掺杂层( 与常规离子注入很相似) 、熔化区域缺陷 消除层( 1 1 0 , u r n ) 和冲击波作用高密度位错强化区( 1 0 - - 1 0 0 z m ) 的复合改性层，由 于强化层厚，强化效果好，因此这项技术更适合于恶劣条件下工作的工件。同电子束和 激光束相比较，这二者仅提供了瞬态高能量输入不可能出现表面掺杂层，电子束单粒予 携带能量不高，激光束耦合因存在强烈的反射作用效率较低，大面积处理困难等。 3 ) i p i b 注入由于是材料表面绝热的快热和快冷的改性过程，表面形成了很好的改 性层，而基体仍然保持室温，基体材料不受影响。 4 ) 束斑大注入效率高，处理速度可达到2 0 0 0 c m 2 h ，每e m 2 处理费用仅有几美分。 5 ) 设备加工简单，结构紧凑、造价低廉，适合于工业化生产。 但是，i p i b 技术注入参数控制、发展程度和应用方面的研究现在还不如常规离子注 入那样成熟“1 。 大连理工大学硕士学位论文 2 高能离子束与物质表面的相互作用 2 1 离子在材料内的射程及浓度分布 2 1 1 射程概念 载有一定能量的离子射入固体后，与其中的原子核和电子发生碰撞。碰撞过程中， 离子不断消耗其能量，离子的运动方向不断发生偏折。在经过一系列曲折的运动之后， 当离子的能量几乎耗尽时，就在靶中某处停留下来，如图2 1 所示，而所走过的路程称 为射程，以r 表示；射程在离子入射方向的投影长度称为投影射程，以r 。表示；射程 在垂直于入射方向的平面内的投影长度，称为射程的横向分量，以冠表示。通常，离子 的入射方向按垂直于基体材料表面考虑。 的n 广 r r t 7 e 0 r o s u r f a c e 图2 1 离子在固体中的射程 f i g 2 1t h er a n g eo f l o ni ns o l i d 离子在固体中所经历的碰撞过程是一个随机过程。相同能量的入射离子射程和投影 射程并不一定相同。离子注入过程中，有大量的离子注入固体，虽然单个离子的射程是 无规律的，但大量相同能量的入射离子的射程具有统计规律性。一般以豆表示大量入射 离子射程的统计平均值，以豆。表示其投影射程的统计平均值；以标准偏差址。来描述 各入射离子的投影射程的分散特性。通常，这三个值简化为r 、r 。、a r 。按照统计分 布规律，只要给出投影射程r 。和标准偏差舣。，则离子在表面下的分布情况就确定了。 强流脉冲离子束与双层靶相互作用的数值研究 2 1 2 阻止本领和能量损失 强流脉冲离子束与靶材相互作用的实质是载能入射离子与固体表面相互碰撞时，入 射离子和固体中的原子核及核外电子发生碰撞，经历一个复杂的过程，直到在靶中停下 来为止，如图2 2 。1 所示。 露 麓 爹0 彬一一* 。一 ? 忿：一 图2 2 离子束轰击材料表面相互作用示意图乜1 f i g 2 2i n t e r a c t i o nb o t w e e ni n c i d e n ti o na n dt h et a r g e ta t o m s 随着入射离子能量的不同，产生的现象也会有所不同，如图2 3 所示。 靶 热传导区 图2 3 离子束辐照靶时的现象。 f i g 2 3d i f f e r e n te f f e c t sw h e ni o nb e a mc o l l i d e sw i t ht h et a r g e t 一8 大连理工大学硕士学位论文 载能入射离子因与靶原子的弹性碰撞和与电子的非弹性碰撞而损失能量，直到在靶 中停下来为止，则入射离子在单位路程上的能量损失可以表示为两项之和： 一警= 最( d + 曼( e ) 】 ( 2 1 ) 其中 s a g ) 一z d 出e ( 2 2 ) s a g ) = 一万li d e , ( 2 3 ) 式中e 为入射离子在x 处的能量5 s o ( d 为原子核的阻止本领，它表示能量为e 的一个入射离子，在单位密度的靶内， 通过微分厚度缸传递给靶原子核的能量； 芝( d 为电子的阻止本领，表示能量为e 的入射离子，在单位密度的靶内，通过微 分厚度血传递给靶内电子的能量； 为单位体积内靶原予的平均数量。 如果最( d 和s a g ) 已知，则对式2 1 积分，就能得到一个初始能量为e 的入射离子， 在靶中走过的总路程，即平均总射程： r ：f 出：土f 生 ( 2 4 ) 如 n 南最( e ) + 最( e ) 2 1 3 核阻止本领 一个离子射入固体中，受到固体中原子核的碰撞而损失了自身的能量，这个过程称 为核阻止过程。对入射离子阻止能力的大小，取决于入射离子能量、入射离子和靶原子 的质量和原子序数，我们把这种阻止能力称为核阻止本领或核阻止截面，即s o ( d ，能 量损失记作( d e d x ) 。 根据l s s 理论。”，采用托马斯费米势函数，核阻止本领最( d 可表示为： 驰，= 蒜嚣糌 q 5 定义与入射离子质量、原子序数m 、z l 以及靶原子质量和原子序数鸩、z 2 相关的离 子能量为： s ： ! ! ：! ! 丝! 丝! 堡! 丝止 ( 2 6 ) 。z l z ，( m l + 鸩) ( z l o2 3 + z 2 02 3 ) 强流脉冲离子柬与双层靶相互作用的数值研究 当8 3 0 k e v 时： 最( 。= 瓦而砸1 n ( 1 + 1 1 瓦3 8 3 6 丽) ( 2 7 ) 当e 3 0 k e v 时： 最( s ) = 警 ( 2 8 2 1 4 电子阻止本领 入射离子与靶原子外层电子云的相互作用称为电子阻止过程，其阻止本领或阻止截 面称为电子阻止本领或电子阻止截面，即疋( d ，能量损失记作( a e a x ) 。 三 疋p ) = k s 2 ( 2 9 ) 其中 喊罢鬻筹小芈 c z 对于高速情况，即当v v 。彳”，对应能量e 2 5 k e v 4 彳门。这里a l 为入射离子 的原子量，v d 为玻尔速度。采用了b e t h e - b l o c h 电子阻止截面“： = 为砻吲毕 汜m 其中1 为平均电离势。 对于低速情况，即当v “v 0 彳 时，j l i n d h a r d 、m s c h a r f f 署nh e s c h i o a ( l s s ) 三人根据t h o m a s f e r m i 模型得到“： = 警蒜 眩 其中a o 为波尔半径。 对于v = v 。z ? ”情况，则比较复杂，通常结合以上两种情形，计为： 笾= 器 旺- s ， 2 1 5 注入元素的浓度分布 由于入射离子在固体中的碰撞过程是随机的，因而注入离子分布在一定的范围内。 对大量入射粒子的统计结果表明，具有相同初始能量离子的投影射程按高斯函数分布。 大连理工大学硕十学位论文 r p 和决定了高斯曲线的位置和形状。根据高斯函数，注入元素在离表面x 处的浓度 为： ( 力= 一p 2 “ ( 2 1 4 ) 式中x = o 一彤) ( 峨) ； 。为x = r v 处的峰值浓度。 因此，注入剂量o t ( 离子数c m 2 ) 为： o t 2 i ：( x ) 出 = f 眦e 中2 出 ( 2 1 1 5 ) = 2 f 峨麟e 申1 以 根据误差函数性质 旷蹈= 压 包 则 2 最a 酉0 4 0 t 眩m 将式( 2 1 7 ) 代入式( 2 1 4 ) ，得到注入元素沿深度的分布： 删：盘删 晓 峰值浓度处的最大相对浓度为： c 一2 彘 旺 2 1 6 溅射和注入浓度极限 注入元素浓度沿深度的高斯型分布，只在注入剂量较低时才与其相符，而且表面改 性所用的注入剂量较高，一般为1 0 1 7 离子c m 2 量级，比半导体注入常用的剂量高约两个 数量级。高的注入剂量会使浓度分布变得不对称：随着注入剂量的增加，浓度峰值移向表 面。其极限情况是表面的浓度最高，注入浓度达到极限值。引起这种现象的原因是在离 强流脉冲离子束与双层靶相互作用的数值研究 溅射是金属表面( 包括近表面) 的原子在载能离子的作用下逸离表面的现象。引起 溅射的原因是离子与表面原子的直接碰撞作用和碰撞级联。碰撞级联能使表面内的原子 受到反冲作用而逸出金属表面。材料的溅射性能用溅射系数s 来表征，其意义是每个入 射粒子溅射出靶原子的数目。材料的溅射系数与元素种类、离子种类和能量有关，一般 s = 2 口2 0 。显然，离子注入靶材后，本身也会被后来的注入离子所溅射，所以注入的 浓度不能无限增加，而有一极限值，称为注入的极限浓度，可表示为： 也= r ( s 一1 ) ( 2 2 0 ) 式中。、。分别表示注入元素原子浓度和靶原子浓度，s 为注入表面层总的溅射系数， ，为近表面的靶原子的溅射几率与注入原子溅射几率之比，称择优溅射因子，一般为 o 5 口2 。 从式( 2 2 0 ) 中可以看出，这个极限浓度是随着注入剂量的增加而逐渐达到的，在 这个过程中，表面层已溅射掉一定厚度。 2 1 7 辐照损伤 高能离子注入除了在表面层中增加注入元素含量之外，还在注入层中增加了许多空 位、问隙原子、位错、位错团、空位团、间隙原子团等缺陷，而这些微观缺陷对注入层 的性能有很大的影响。 能量足够大的入射离子，或被撞出的离位原子，与晶格原子碰撞并给后者大于其离 位阈能的能量时，晶格原子就发生离位。离位原予最终在晶格间隙处停留下来，成为一 个间隙原子。它与原先位置上留下的空位形成空位一间隙原予对。这就是辐照损伤。只 有与核碰撞损失的能量才能产生辐照损伤：与电子碰撞损失的能量，一般不产生损伤。 处于空位附近的间隙原子，很容易与空位复合。空位跑到晶粒边界、表面等处也会 湮灭。同时它们也可能聚集成团，形成位错等。这些过程都与空位、间隙原子的迁移有 关，因之与温度有密切关系。所以碰撞形成的空位，并不能都留存下来，实际留存下来 的空位量只是百分之几或更小。 ( 1 ) 碰撞级联 一个能量为几十k e g 或几百k e v 的注入离子，经过许多次与原子核的碰撞才能停留 下来。其中被撞而接受能量大于离位阈能的晶格原子都成为离位原子。这些直接由入射 离子撞出的离位原子称为初级离位原子。这些初级离位原子在停留下来之前，可能在其 路程上产生若干个二级离位原子。二级离位原予又可能击出三级离位原子，这样繁衍的 结果，一个载能入射离子可以在大约1 0 1 。s 内产生许多个离位原子和相应的空位，这就 称为碰撞级联。显然，这些碰撞是随机的，离位原子的路径也是随机的。 大连理工大学硕士学位论文 这种级联发生的“密度”与注入离子的质量有关。在相同的注入条件下，重离子损 失于核碰撞的能量所占的比重较大，离子自由程较短，碰撞密度较大。因而由此发展出 来碰撞级联较为密集，见图2 4 a ) ，而且有些分支部分还会重叠，这样形成的碰撞级联 也更接近表面。在相同条件下，轻离子损失于核碰撞的能量所占的比重较小，在其路程 上与核碰撞的机会较少，即离子自由程较长。因而级联密度不如重离子的大，级联的分 支部分往往互相分开，不重叠，见图2 4 b ) ，而且每个分支部分也只包含几个离位原子。 高能量的轻离子注入时，电子阻止作用占主要地位，核阻止作用可以忽略，在近表面一 段距离内，能量只消耗于与电子碰撞，而不发生核碰撞。只在其行程的尾部，因能量已 降低，才发生核碰撞并形成碰撞级联。 o a ) p ，一ao 。oo 粼 图2 4 碰撞级联示意图 f i g 2 4g e n e r a lv i e wo f c a s c a d ec o l l i s i o n ( 2 ) 损伤分布 在l s s 理论的基础上，w s s 理论又假设了一个与之相似的模型，并建立了能量 沉积的微分积分方程，求其解即可得到能量沉积分布，即损伤分布。损伤分布的形状 以及离表面距离是与靶原子质量( m 2 ) 和入射元素原子质量( m ) 之比有关系的。损 伤分布的形状与高斯分布有显著的差别，特别是在 厶，m 变小时( 如m s m i 1 0 7 w c m 2 ) 脉冲离子束注入到材料表面的同时，将引起材料表面加热、 升温熔化、汽化、冲击波的传播和等离子体膨胀等物理过程。在国内，赵渭江、乐小云 大连理工大学硕士学位论文 等人已经对高功率脉冲离子束注入到材料表面的热效应进行了深入的研究“”。设升温 时间为t ，达到熔化温度的时间为0 ，达到汽化的时间为，脉冲宽度为f 。则从注入 开始到0 、t e 和r 前后能量沉积和固体表面结构的变化如下。 ( 1 ) 升温过程 当t m ， 0 时，作用时间大约为1 0 t 2 s ，载能离子在如此短的时间内在靶中引起靶 原子密集的级联碰撞，通过电子能量损失和核能量损失而将入射离子的全部能量传递给 靶原子，这是一个绝热能量输入和升温过程，随着时间逐渐达到o ，靶材晶格结构逐渐 崩溃。 ( 2 ) 熔化过程 当t = 0 时，所输入的能量超过材料的潜热，材料晶格结构全部崩溃，材料表面熔 化。 ( 3 ) 熔化过程的扩展 当f f 0 时，脉冲离子束将继续提供能量，材料表面温度继续升高，熔化区域扩 展，扩展的结果使改性层的厚度增加。 ( 4 ) 汽化的产生 当f t = r e 时，脉冲离子束将继续提供能量，材料表面温度继续升高而达到汽化温 度，材料表面汽化。 ( 5 ) 冲击波过程的形成 当f ， t m 时，脉冲离子束将继续提供能量，当提供给材料表面的能量足够高时， 材料表面将形成等离子体，并且使体积迅速膨胀，形成很高的压力，并以冲击波的形式 向材料内部传播。在冲击波的作用下，在远大于射程的区域内，材料结构发生了明显的 变化，位错密度增加，结果导致硬度的增加。这些过程所引起的一系列效应，在材料表 面有很强的溅射效应出现，在离表面适当的位置上安放基体，则可以进行沉积，材料表 面为离子注入区，深度为o 加1 0 2 m 。这个过程包括熔化区、高温区、压力波冲击区和 冲击波作用区。 2 2 2 熔化区域范围“1 埘 利用与热峰相似的热传导方程，可以给出脉冲输入瞬时的温度分布和熔化区域的大 小。设每一个入射离子沿x 方向入射到半无限的固体介质表面，对各向同性介质来说， 热峰的局部温升和瞬态变化可用热传导方程来描述，可表示为： k v 2 t = c # t 西 ( 2 2 1 ) 强流脉冲离子束与双层靶相互作用的数值研究 式中，k 、c 和p 分别为热导率、l - i ：热容和固体质量密度( g c m 3 ) 。用热点源热峰的情 况，实际的能量沉积分布变换成温度分布： 琢彤，= 丽丢考靠唧i 丢竽一若一寺l 旺z z ， 这里，口和b 分别为在r 和y ( 或z ) 方向上的统计偏差，( x ) 为能量沉积的平均深度。 这几个量均可从t r i m 程序计算出。e 为离子沉积过程中与靶原子碰撞所消耗的能量。 这种分布为椭球分布。在( d 处最高的温度r ( 石) 为： 丁( x ) 2 c p ( 2 1 r l ) 3 2 a b 2 ( 2 2 3 ) 如将蜀换成一个脉冲的能量点k ，上述两个公式均可用来估计每个脉冲注入后的温 度场分布和在( 工) 处最高的温度丁( x ) 。 如果设温度分布为球形分布，那么a = b = o r ，这种假设适合于轻离子注入重原子靶 的情况。则根据上式有： 舷俐哪州( 1 + 2 刊k q “2 c x p 其中盯为射程的统计偏差。最高温度为： 丁( 工) 2 丽麦尹 q 2 5 于是熔化区域范围则可表示为： = 3 0 r 3 ( r ( z ) l t o ) 2 ”e ( 2 2 6 ) 其中已和瓦分别为材料的熔化温度和室温。由此可见，只要知道材料的熔化温度巧、 室温乃、比热容c 、材料的质量密度p 、脉冲能量和热传导率_ j ，就可以给出脉冲注 入的温度分布r ，) ，z ，t ) 和熔化区域范围o 。 2 2 3 辐照的应力波效应 i p l b 辐照材料表面由于产生了熔化和汽化，体积迅速膨胀，因此在材料表面形成很 强大的冲击波，这引起了很大的热力学应力和等离子体的反冲应力。 ( 1 ) 直接冲击压力 大连理工大学硕士学位论文 脉冲离子瞬间进入到材料表面，由于离子动能突然转化成热能，在材料表面能够引 起很大的压力p ，可表示为： p = 去2 加 ( 2 2 7 ) 其中t ，、f a t 、e 和q 分别为离子电流密度、离子质量、离子能量和离子电荷态。 ( 2 ) 热力学应力 脉冲离子瞬间进入到材料表面，由于离子的动能突然转化成热能，温度急剧增高到 熔化和汽化的温度，由于周围温差很大则会引起热冲击压力o r 。 c 慨詈+ ( 西+ 见) 鲁= 丢s ( ) + i 1 石oi ( 印了a t 詈一等 ( 2 2 8 ) 塑：三笪 o r fo t 其中o 、所、见、甜、p 和名分别为定容热容、热分压、应力分压、离子速度、材料 质量密度和热导率；盯为应力；t 为温度；为比热；，为比容；五为标准态比容；s ( r ，f ) 为热源函数。 ( 3 ) 反冲压力 脉冲离子瞬间进入到材料表面，使材料表面汽化或等离子化，此时将产生大量的材 料表面的原子向外喷射。这种喷射对材料表面形成了反冲压力，在绝热条件下，单位表 面积上喷出的反冲冲量，0 可定义为： 厶= 后器萨e x p 一生2 后r k j z ， 其中m 、m 、毛、和甜分别为靶原子质量、入射离子质量、所喷出的原子最高能量、 波耳兹曼常数和所喷出的原子最高速度。 从反冲冲量所引起的压强为 p = o t( 2 3 0 ) 其中t 为汽化持续时间。 在一定的条件下可以形成冲击波，其传播深度z 可表示为： z=羔i赢2rm4(r 2l ( r 1 ) z s j i 2 ( 2 3 1 ) + 、一 强流脉冲离子束与双层靶相互作用的数值研究 其中c 1 、m 、f 、r 分剐为波的纵向速度、靶原子质量、脉冲宽度和材料的g r u n e i s e n 参数；r = v ( a e a e ) ；s 和，分别为吸收的能量密度和绝热指数；f = z = 1 。 2 2 4 间隙原子产生密度与冲击波的关系“1 强流脉冲离子束辐照靶材时，如果电流密度比较大，则不仅会在辐照区出现一个硬 度增量区日。，同时会在更深的区域出现第二个硬度增加峰值脯：。这是由于等离子体 的喷射而在辐照区引起了反冲效应，形成了强大的压缩波，而在一定的条件下形成了冲 击波并且传播到非辐照区。这种冲击波不同于机械应力波，应力波是一种原子的集体运 动，相反冲击波则是单独原子运动，所以在冲击波作用下，可以在更低的能量阈值下产 生空位、间隙原子和位错。在金属中，间隙原子的扩散系数远大于空位的扩散系数，假 设间隙原子流流向位错，使得空位、双空位、三空位和小空洞中的空位得到了释放。在 冲击波作用下，富兰克尔对缺陷密度n 给出下列公式： 讲n = g , - = g ：- - r - - ( 害) 。， 旺，z ， 讲 恼j 恼j d 屹j 纠 上式中、( 甜和( 筑分别为空位和间隙原子对产生率( 且口富兰克尔对产生率) 、 富兰克尔对复合率和缺陷向位错流入率。其中，值由下式确定： 纠e 印( 宁 s s ， 仆口 上式中，e 为未辐照区的原子激活能；p 0 为冲击波在x 处t 时刻的冲击波幅度；a 和 b 分别为常数：为波耳兹曼常数。 通过网格法可以求解出温度平面波的方程，从而解得e ( x ，f ) ，则可得到。最后得 到位错密度虬，进而得到a 日：，即为： h z = a n d ( 2 3 4 ) 这里口为常数。 2 3 离子束混合与离子束缝合 2 3 1 离子束混合 离子束通过金属界面时则会引起不同类金属原子间的交互混合，称之为离子束混 合。离子束混合是离子束与金属膜蒸发技术相结合的离子束表面优化新技术。为适应超 1 8 大连理工大学硕士学位论文 大规模集成电路浅结欧姆接触的需要，并可用于肖特基势垒的调整和金属互连，梅逸尔 ( m a y e r ) 首先提出了离子束混合在研究金属硅化物中的应用。近二十年来双层金属膜 离子束混合相交的研究引起了人们的重视，同时在工业应用方面也取得了很好结果，因 此离子束混合技术已成为工业应用和物理冶金研究的重要手段“1 。 ( 1 ) 薄膜的离子束混合 快速离子轰击不同元素组成的层状薄膜系统，引起了原子移位。有研究表明，这个 输运可通过反冲注入、级联碰撞及辐射增强扩散等过程使固体中的原子从原始位置传输 到一定的距离上而导致原予混合。具体