（流体机械及工程专业论文）线性离子源的综合设计与性能研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nf l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g t h e i n t e g r a t e dd e s i g no f t h el i n e a ri o n s o u r c ea n di t sp e r f o r m a n c er e s e a r c h b yw a n gj u n w e i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n g y i c h e n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名鳓日期：翮6 扩学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：s sr s一年口一年半口两年一学位论文作者签名瑞签字日期：刎、6 、万导师签名：妖以龆乡签字日期：九矽莎，够i 一 原书空白页 不缺内容 东北大学硕士学位论文摘要 线性离子源的综合设计禾i ：1 性能研究 摘要 近年来，人们将用于航天推动器的等离子加速技术应用于薄膜沉积技术，研制出 了各种离子源，以实现离子束辅助沉积、镀前处理、直接沉积等工艺技术。其中，线 性离子源以其束流密度高，离子束能量范围宽，结构简单，设计成本低以及性能可靠 等优点而逐渐成为了研究的重点，并受到广泛应用。国内线性离子源的研究和发展起 步较晚，与国外技术相比较，在离子源使用性能等方面还存在一定的差距，而且多数 依靠仿制和实验等手段来研制，缺乏一套完整的设计和优化指导方法。因此本文针对 这种现状，从线性离子源的原理出发，依靠计算机模拟技术来对线性离子源的结构设 计和放电性能进行综合研究。 按照线性离子源的设计思想和流程进行介绍，本文主要包括以下研究内容： ( 1 ) 介绍了线性离子源的起源，并对该类离子源的国内外发展现状和研究动态进 行总结说明。 ( 2 ) 介绍了线性离子源的工作原理、特点和应用，并根据其工作原理对其结构进 行了初步设计，具体的设计内容包括整体结构设计、电场和磁场系统设计、冷却系统 和布气系统的设计等。 ( 3 ) 运用有限元数值求解方法，通过a n s y s 软件来对线性离子源的磁场和电场进 行二维和三维的计算机数值模拟。通过改变永磁体、磁轭和阴极极靴的尺寸参数来研 究磁场和结构之间的关系；通过改变阴阳极距离等参数来研究电场与结构之间的关系。 最后结合线性离子源对磁场和电场的要求来对其结构尺寸进行了初步优化，并为下一 步的粒子放电模拟提供准备。 ( 4 ) 通过运用等离子体p i c m c c 粒子模拟方法，对线性离子源的放电过程进行计 算机模拟，并探究出工作电压、工作气压、工作气体种类以及基片偏压等参数对离子 源束流性能的影响。最终模拟得出结论：工作电压越高，离子束流密度越大，束流平 均能量也越大；工作气压越高，离子束流密度越大，但束流平均能量反而降低；基片 偏压越大，离子束流密度越大，束流平均能量也越大；另外，束流性质还与工作气体 的种类有关。 ( 5 ) 在现有的f m a 9 0 8 0 过滤电弧离子镀膜机装备的线性离子源上进行实际的磁 场测量和束流性能实验。通过对出口处的磁场分布和磁场强度进行测量，并与模拟结 果相对比，证明了磁场模拟结果的正确性。通过实验改变工作电压、工作气压以及基 片偏压等参数来研究这些参数对离子源束流性能的影响，证明其最终实验测量结果与 t t t 东北大学硕士学位论文摘要通过等离子体放电模拟得到的结论相一致。关键词：线性离子源；电磁场；有限元模拟；等离子体模拟；p i c m c ci v 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e i n t e g r a t e dd e s i g no ft h el i n e a ri o ns o u r c ea n di t s p e r f o r m a n c er e s e a r c h a bs t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，p e o p l ea p p l yt h ep l a s m aa c c e l e r a t i o nt e c h n o l o g yo ft h ea e r o s p a c e t h r u s t e rt ot h et e c h n o l o g yo ff i l md e p o s i t i n g ，a n dd e v e l o pk i n d so fi o ns o u r c e s t or e a l i z et h e t e c h n o l o g yo ft h ei o nb e a ma s s i s t e dd e p o s i t i o n ，p r e p l a t i n ga n dd i r e c td e p o s i t i o n t h e r e i n t o ， t h el i n e a ri o ns o u r c ei sg e t t i n gt h ee m p h a s i so ft h ef u t u r er e s e a r c hw o r kw i t hi t sa d v a n t a g e s o fh i g hb e a mc u r r e n td e n s i t y , b r o a de n e r g yr a n g e ，s i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s ta n dr e l i a b l e p e r f o r m a n c e ，a n di sa p p l i e de x t e n s i v e l yi nt h ec o a t i n gp r o c e s s n o wt h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to ft h el i n e a ri o ns o u r c ei nc h i n ai ss t i l li nb a c k w a r dl e v e l c o m p a r i s o nw i t h a b r o a d ，i ts t i l lh a sac e r t a i nd i s p a r i t yi nt h eu s ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds oo n m o s to ft h e m d e p e n do nt h ei m i t a t i o na n de x p e r i m e n tw i t h o u ta ni n t e g r a t e dg u i d a n c ea n dm e t h o df o r d e s i g n i n ga n du s e f o rt h i sr e a s o n ，b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft h ei o ns o u r c e ，w ec a r r yo nt h e c o m p r e h e n s i v es t u d yt ot h es t r u c t u r a ld e s i g na n dd i s c h a r g ep e r f o r m a n c eo ft h el i n e a ri o n s o u r c eb yt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nm e t h o d 0 nt h eb a s i so ft h ed e s i g nm e t h o da n dp r o c e d u r e t h i sa r t i c l em a i n l yi n c l u d e st h e f o l l o w i n gr e s e a r c hc o n t e n t s ： ( 1 ) i n v e s t i g a t ea n ds u m m a r i z et h eo r i g i no ft h el i n e a ri o ns o u r c e t h ed e v e l o p m e n t s i t u a t i o na n dr e s e a r c ht r e n do ft h el i n e a ri o ns o u r c eh o m ea n da b r o a d ( 2 ) i n t r o d u c et h ep r i n c i p l e ，f e a t u r e sa n da p p l i c a t i o n so ft h el i n e a ri o ns o u r c e p r e l i m i n a r yd e s i g ni t ss t r u c t u r eb a s e do ni t sp r i n c i p l e ，m a i n l yi n c l u d i n gt h ed e s i g no ft h e i n t e g r a ls t r u c t u r e ，e l e c t r i cf i e l d ，m a g n e t i cf i e l d ，w a t e rc o o l i n gs y s t e ma n dg a sd i s t r i b u t i o n s y s t e m ( 3 ) u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，w ec a r r yo nt h es i m u l a t i o nt ot h ew h o l e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l do ft h el i n e a ri o ns o u r c eb yt h es o f t w a r eo fa n s y s c h a n g et h e d i m e n s i o no ft h ep e r m a n e n tm a g n e t ，f i e l dy o k ea n dp o l et e r m i n a lt of i n dt h er e l a t i o n b e t w e e nt h em a g n e t i cf i e l da n di t ss t r u c t u r e ；c h a n g et h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ea n o d ea n d c a t h o d et of i n dt h ea f f e c t i n gf a c t o r so ft h ee l e c t r i cf i e l d b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w e c o n d u c ti t sp r e l i m i n a r yo p t i m i z a t i o na c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h ee l e c t r i cf i e l da n d m a g n e t i cf i e l d 一v 查! ! 垄兰望主兰位论文a b 。t r a c t一：( 4 ) b a s e do dt h em e t h o do ft h ep i c m c c ，c o n d u c tt h es i m u l a t i o nf o rt h ed i s c h a r 2 ep r o c e s so ft h ei o ns o u r c e ，f i n dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h eb e a mp e r f o r m a n c ea n dt h ei n f l u e n c i n gp a r a m e t e ro ft h ew o r k i n gv o l t ，o p e r a t i n gp r e s s u r e ，t y p eo fg a sa n ds u b s t r a t eb i a s w eg e tt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n ：w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ew o r k i n gv o l t ，b o t ht h ed e n s i t va n dt h ea v e r a g ee n e r g ya r ei n c r e a s e d ；w i t ht h ei n c r e a s eo ft h eo p e r a t i n gp r e s s u r e ，t h ed e n s i t yo ft h eb e a mi si n c r e a s e dw h i l ei t sa v e r a g ee n e r g yi sd e c r e a s e d ；w i t ht h ei n c r e a s eo ft h es u b s t r a t eb i a s ，b o t ht h ed e n s i t ya n dt h ea v e r a g ee n e r g ya r ei n c r e a s e d t h eb e a mp r o p e r t i e sa l s oa r er e l a t e dw i t hi t st y p eo fg a s ( 外u s i n gt h el i n e a ri o ns o u r c eb u i l ti nf m a9 0 8 0m u l t i p l ea r ci o np l a t i n ge q u i p m e n t w ec a r r yo nt h ea c t u a lm e a s u r e m e n to ft h em a g n e t i cf i e l da n dt h ep e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t so f t h el i n e a ri o ns o u r c e b yc o m p a r i n gt h em e a s u r i n gr e s u l tw i t hi t ss i m u l a t e dr e s u i to ft h em a g n e t i cf i e l d ，v a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so ft h es i m u l a t i o n b yc h a n g i n gt h ew o r k i n gv o l t ，o p e r a t i n gp r e s s u r ea n ds u b s t r a t eb i a si nt h ee x p e r i m e n t s ，w eg e tt h ec o i n c i d e n tr e s u l t sw i t ha b o v es i m u l a t e dr e s u l tf o rt h ed i s c h a r g ep r o c e s s k e y w o r d s ：l i n e a ri o ns o u r c e ；e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ：p 1 a s m as i m u l a t i o n ；p i c m c cv i 东北大学硕士学位论文 目录 目录 声明i 中文摘要i i i a b s t r a c t v 第1 章绪论1 1 1 课题研究的目的和意义1 1 1 1 课题研究的目的2 1 1 2 课题研究的意义2 1 2 课题研究的背景和现状2 1 2 1 国外线性离子源的发展现状2 1 2 2 国内线性离子源的发展现状5 1 3 课题研究的主要内容6 1 4 课题研究的思路和方法6 1 4 。1 拟解决的关键问题7 1 4 2 方法和技术路线7 1 4 3 研究特色与创新之处8 第2 章线性离子源的原理和结构设计9 2 1 线性离子源的工作原理9 2 2 线性离子源的特点和应用1 0 2 2 1 线性离子源的特点1 0 2 2 2 线性离子源的应用1 l 2 3 线性离子源的结构设计1 3 2 3 1 电场系统的设计1 3 2 3 2 磁路系统的设计1 4 2 3 3 冷却系统的设计1 5 2 3 4 布气系统的设计1 5 第3 章线性离子源的电磁场数值模拟和分析1 7 3 。1 电磁场数值模拟的基本原理和模型求解过程1 7 3 1 1 电磁场数值模拟的原理和方法1 7 3 1 2 线性离子源物理模型的建立和求解过程1 8 v i i 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 线性离子源磁场的数值模拟与分析一2 0 3 2 1 线性离子源对磁场的基本要求2 0 3 2 2 线性离子源磁场的二维模拟与分析2 0 3 2 3 线性离子源磁场的三维模拟与分析2 7 3 3 线性离子源电场的数值模拟与分析一2 9 3 3 1 线性离子源对电场的基本要求2 9 3 3 2 线性离子源电场的二维模拟与分析2 9 3 4 改进型线性离子源的电磁场数值模拟与分析31 3 4 1 改进型线性离子源的磁场模拟与分析3 1 3 4 2 改进型线性离子源的电场模拟与分析3 2 第4 章线性离子源的等离子体粒子模拟与分析3 3 4 1 等离子体粒子模拟的方法3 3 4 2 等离子体p i c m c c 方法模拟流程3 4 4 3 线性离子源的物理模型与求解步骤3 6 4 3 1 线性离子源的模型建立3 7 4 3 2 模型的加载和求解步骤3 8 4 4 线性离子源的粒子模拟与结果分析3 9 4 4 1 放电电压对线性离子源的影响分析4 1 4 4 2 工作气压对线性离子源的影响分析4 3 4 4 3 气体种类对线性离子源的影响分析4 4 4 4 4 基片偏压对线性离子源的影响分析4 6 4 5 改进型线性离子源的粒子模拟与结果分析4 9 第5 章线性离子源的实验验证与性能研究5 3 5 1 线性离子源的实验方案5 3 5 2 实验设备简介5 3 5 2 1 设备主要系统介绍5 3 5 2 2 实验设备的具体参数5 5 5 2 3 实验设备中的线性离子源5 5 5 3 线性离子源磁场的测量与分析5 6 5 4 线性离子源放电性能的实验与分析5 9 5 j 4 1 对工作电压的实验研究与分析5 9 5 4 2 对气体流量的实验研究与分析6 0 5 4 3 对基片偏压的实验研究与分析6 1 东北大学硕士学位论文目录 第6 章结论与展望6 3 6 1 本文工作的总结一6 3 6 2 后期工作的展望和思考6 4 参考文献6 5 致谢6 9 i x 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 能源、信息和材料被认为是现代国民经济的三大支柱，其中材料技术更是各行各 业的基础。近几十年里，材料科学有了长足的发展，具备各种优异性能的新材料层出 不穷。在材料科学的分支中，薄膜材料科学的发展起了重要的作用。其重要原因在于 它往往具有特殊的材料特性和性能组合。高性能薄膜材料的基础研究直接关系到信息 技术，微电子技术，计算机科学等领域的发展和进程。同时，新薄膜材料的发展正在 向多种类，高性能和新工艺等方面发展。 由于薄膜材料一般是通过真空蒸发、溅射镀膜、离子束沉积和离子镀膜等沉积技 术制备，因此薄膜材料的制备和发展离不开真空和镀膜技术。利用真空可以改变材料 的制备环境，因此可以在特殊的环境下制造出平时无法制造出来的薄膜材料。同时， 真空设备中气体成分比较少，减少了大气中有害成分对材料的影响，杜绝有害反应发 生，还可以加入有益的成分，增加材料特殊效果。 离子源技术是真空镀膜所需要的一项重要技术【1 。2 0 世纪5 0 年代末，美国科学家 考夫曼( k a u f m a n ) 首先将离子源用在镀膜领域中，便拉开了离子源在镀膜方面应用 的研究序幕口3 j 。在此后的近六十多年里，先后有许多种类的离子源被成功地应用在镀 膜设备上，如考夫曼( k a u f m a n ) 型离子源、潘宁( p e n n i n g ) 离子源、等离子体阴极 离子源、射频( r f ) 离子源、电子回转共振( e c r ) 离子源等【4 5 】。一方面离子源用于 对镀膜基片的镀前处理或镀后处理过程中，提高薄膜沉积的条件，如离子束在线清洗 工艺；另一方面它也可以用于离子束辅助镀膜技术，来改善成膜过程中的缺陷和不足。 发展至今，离子源的种类多种多样，其原理也各不相同。由于它们具有各自不同 的特点和性能，因此适用于不同的工作场合【6 】。尤其是近年来随着镀膜技术的发展， 国际上一些先进的公司开始发展大型平板玻璃镀膜、大面积装饰镀膜、聚合物柔性表 面镀膜生产线、大面积光伏非晶硅薄膜等新技术，并开始在这些设备中装备大型离子 源，因而传统的离子源已不能满足生产要求【7 j ，于是线性离子源应需而生，且很快成 为了世界各国研究的热点。 1 1 课题研究的目的和意义 由于线性离子源应用在大面积镀膜技术的优势，因此世界上很多大学、研究机构 和公司都在研究和生产该类离子源【8 _ 1 。国际上一些机构和公司研制的线性离子源束 流品质良好、放电均匀、性能稳定、寿命持久，能很好的满足各类生产工艺的需求。 反观国内线性离子源技术，虽然有越来越多的公司开始研制该类离子源，但存在着放 1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 电不均匀、打火灭弧等缺陷。因此本文尝试着从线性离子源的基本原理出发，对其进 行结构设计和性能优化。 1 1 1 课题研究的目的 课题研究的目的是研制出一种装配在镀膜机或生产线中的线性离子源，同时总结 一套可以用于该离子源模拟和设计的理论指导方法。首先通过线性离子源的工作原理 对离子源的各部分结构进行初步设计，然后通过对其进行计算机模拟，对离子源各部 分结构进行逐步优化，使其达到最佳性能，并总结出其模拟和优化的方法，为今后进 行同类型改进型离子源或相似放电原理离子源的研制和生产提供参考。 1 1 2 课题研究的意义 本课题研究的意义包括：研究线性离子源的工作原理，并利用计算机对其整个过 程进行模拟，利用虚拟手段对其进行性能优化，最终归纳出一套该类离子源开发、设 计、制造和使用的依据和方法，丰富国内关于该类型离子源设计、模拟的分析资料， 为今后同类或相似原理离子源的开发提供参考。这样可以替代原有的依靠实验的设计 方法，节省大量的成本和时间。 1 。2 课题研究的背景和现状 追溯线性离子源的由来，它最初是由用于航天的空间离子电推进技术发展而来的。 电推进是利用电能加热、离解和加速工质，使其形成高速射流而产生推力的技术。与 化学推进相比，电推进具有比冲高、推力小、能重复启动、重量轻和寿命长等特点， 因而电推进可用于航天器的姿态控制、轨道转移和提升、轨道修正、阻力补偿、位置 保持、重新定位、离轨处理、宇宙探测和星际航行等任务。电推进系统种类繁多，其 中霍尔推力器越来越受到航天界的青睐。霍尔推力器主要有两种类型：稳态等离子体 推力器( s p t - s t a t i o n a r yp l a s m at h r u s t e r ) 和阳极层推力器( t a l t h r u s t e rw i t ha n o d e l a y e r ) 1 2 。后来人们将该技术应用于工业生产，研制出线性离子源，以来提高等离子 体表面处理技术【1 3 , 1 4 】。 1 2 1 国外线性离子源的发展现状 ( 1 ) 美国a d v a n c e de n e r g y 公司 该公司是较早研制线性离子源的公司，其生产的离子源长度包括3 8 3 7 0 c m 多种 长度选择，可以有多种类型的工作气体和束流性质【15 i 。如下图1 1 ( a ) 为该公司研制 的线性离子源。同时，a e 公司也对该类离子源的应用进行了大量的探索研究工作， 先后将其运用在镀前清洗、d l c 直接沉积等技术中。目前该公司的离子源业务已被 一，一一一 东北走学硕士学位论正第1 章绪论 g e n e r a lp l a s m a 公司收购 ，1 幽1i 国外生产的符粪线性离于游 f i g1 it h el i n e a ri o ns o u f c ef r o mf o r e i g nc o m p a n y ( 2 ) 美圜v e e e oi n s t r u m e n t s 公司 该公司的j o h nek e e m 博l 对线性离了源进行了大量的研究，t 要包括离子源的 原理和放电特性j ；! i ! 律，同时通过对离子源进 1 ：清洗、s i 0 2 刻蚀、d l c 直接沉积等实验 对离子源的应j = | j 进行探索卅。该公司l 产的离子源束流能量可在1 0 0 到18 0 0 e v 之恻， 电子束流为3 0 m a c m ，广泛适合十各种应用，如结构化玻璃，平板显示器，网状涂层， 高精度光学和半导体等。 3 ) 美国p l a s m as u r f a c ee n g i n e e r i n g c o r p o r a t i o n 公司研制的s p i n d r i f t 丁m 离予源采用模块化设计概念，可为用户提供多种类型、多 种安装方式。馥公司生产的线性离子源可以连续工作1 0 0 0 0 小时以上，放电电流为 1 0 m a 。1 6 0 0 m a ，从而满足了不同用户的需要。 - 图1 2p l a s m as u r f a c ee n g i n e e r i n gc o r p o r a t i o n 生产的线性离子源 f i g1 2t h el i n e a ri o ns o h r c eo f t h ep l a s m as u r f a c ee n g i n e e r i n gc o r p o r a t i o n 一3 一 东北是学硕士学位论文第j 章绪论 ( 4 ) 美崮g e n e r a lp l a s m a 公司 咳公司1 。2 0 0 8 , 年收购a e 公司f f j 线性离子瓣尘一忆务扁，全面接手a e 公司离子 源的生产和销售工作，并通过技术创新和研究，推出了多利，新型的线性离子源【l 8 1 , 9 1 ， 一跃成为该类离子源最大的生产厂商。 例如该公司通过实验发现，改变离子柬流和基片的入射角度可以得到不同的刻蚀 速率，如下图13 ( a ) 显示为溅射产额和入射角度的关系，可以看到在人约6 5 。的时 候刻蚀速率最大。 兰一 二一一二囊：妒 、q 幽13g e n e r a lp l a s m a 公州十产f ns p a l s 型离f 源 f i g1 3 t h es p a l so f t h e g e n e r a lp l a s m a ( a ) 溅射产颥, f l f 入射角度的关系图：( b ) s p a l i s 型离子游 为此，g e n e r a lp l a s m a 公司发展了新的s p l a y e d p o l e a n o d el a y e r i o ns o u r c e 专利技 术，如图13 ( b ) 所示。由于采用斜面阳极的专利技术，安装后离子源的角度与基片 可以保证以6 5 度左右工作，这样不仅可以产生较高的刻蚀速率，缩短清洗污染物的时 l 剐，还可以避免溅射出来的离子朝问离子源而带来污染。 如图l4 所示，g e n e r a lp l a s m a 公司的p o i n t e dp o l e a n o d e l a y e r i o ns o u r g e 采用专 利结构技术可以保证在离子源的出口处产牛较强的对称磁场，将电子束缚在放电区域 的中间，保证产生的离子远离两极。浚类型离子源长度为3 4 5 3 3 88 c m 可选，产生的 离子能量品大可达3 0 0 0 e v i ”i 。 传统型离干潭 墨墨 i p p 且l s 型离千湃 h14g e n e r a lp l a s m a s 生产的p p a l s 型离子游 f i g1 4p o i n t e dp o l ea n o d el a y e ri o ns o u r c eo f t h eg e n e r a lp l a s m a 4 一 | 东北大学硕士学位论丈第1 幸绪论 p 图j5 为对改进型线性离子源进行的静态剿蚀测试，- - 】以看出相对j ：传统结构的 线r l - 离子源，优化后的结构具有更高的刻蚀性能，最高可达3 0 n mm m i n 。 皇妄玉兰： o ，! 一 ，一 l - l 广= 鬲西 一 h 一擒黜涮j - 导。_ 1 2 1 。 + 一 斗一：= ：掣 斗_ l 廿卜 上= 三生 幽l5p p a l s 线性离子源的静态刻蚀测试 f i g1 5t h es t a t i c a le t c ht e s lo f t h ep p a l s 此外，国外还有德国的冯阿登纳真空技术有限公司( v o n a r d e n n e ) 公司、美 国a p p l i e dp r o c e s st e c h n o l o g i e s 公司1 2 2 1 ( 图1l b ) 、俄罗斯p l a s m al a b 、乌克兰国 家科学院物理研究所( 圈1 1c ) 、英国g e n c o a 公司 2 3 1 ( 图1 1d ) 、美旧d a r l y c u s t o m t e c h n o l o g y 公司均在研究和生产酸类线性离子源。 122 国内线性离子源的发展现状 国内线性离子源的研究i 。作起步较晚，但发展迅速。尤其是近年来，在国内大型 平板镀膜设备| 玉；| 产化研制的推动下，线性离子源的研究引来越来越多研究机构和公司 的注意。由于围外的技术封锁，国内线性离子源的研制初期多依靠仿制和自身探索实 验。现在先后有成都同创材料表面新技术一l 一程中心、北京错玛泰克真空科技有限公司、 北京t u ：龙雅荷工贸有限公司、大连远东真空技术有限公司、沈阳北宇真空设备厂等公 司研制出该类线性离子源。在学术研究方面上，国内关于该类离子源的研究较少。汪 礼胜等人曾对酸类离子源的磁场进行数值模拟和优化。 、 冬 幽i6 国内生产的备类线性离子源 f i g1 6 t h e l i n e a r i o ns o u f c e f r o m d o m e s t i c c o r p o r a t i o n 一5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 与国外生产的离子源相比较，国内离子源存在着一些问题，主要表现为磁场不均 匀、强电流下放电不稳定、高电压下容易灭弧、束流密度或离子强度范围有限等。在 理论方面，对线性离子源的研究主要集中在对磁场的模拟、束流性能的实验研究以及 线性离子源的应用上。 1 3 课题研究的主要内容 课题的主要研究内容是整个离子源研制方法的归纳和运用，内容主要包括离子源 的结构设计，为了达到均匀布气的气路设计，保证使用性能和寿命的冷却系统设计， 离子源磁场和电场的设计和模拟研究，离子源放电过程的等离子粒子模拟，离子源性 能的研究等。通过对各种理论和软件的整合运用，最终研制出所需的离子源。 在上述研究内容中，离子源的电磁场模拟和整体放电过程的模拟对离子源的优化 设计起着重要作用，因而是两个重要的环节。这罩就涉及到等离子体的计算机模拟技 术。目前常用的模拟方法就是等离子的粒子模拟方法( p i c ) ，并且引入蒙特卡罗碰撞 法( m c c ) 来处理粒子间的随机碰撞过程。 其中，等离子体的粒子模拟( p i c ) 方法就是利用计算机通过超粒子来跟踪大量 的带电粒子在它们的自洽场矛a j t - d h 电磁场中的运动，来模拟等离子体的动力学特性。 粒子模拟可以在相空间里用统计方法给出一些物理量的分布函数，它运用一些最基本 的方程保留了等离子体中的那些非线性的作用，空间电荷和其他的集体效应也能够用 带电粒子和场方程的方法体现出来。一般来说，粒子模拟方法使用的是基本的物理方 程，并没有作很多的假设，所以粒子模拟的方法可以保留等离子体中大多数的物理信 息，因此将其运用在线性离子源的放电模拟中可以对其进行很好的仿真模拟。 1 4 课题研究的思路和方法 本课题的目的是研制出符合实际需要的线性离子源。研究思路是首先根据离子源 的工作原理，初步设计出离子源的各部分结构，它具体包括放电室结构设计、整体外 形尺寸设计、磁场设计、电场设计、布气系统设计、冷却系统设计等，这个过程进行 的同时可以吸收和参考国外公司现有的离子源的结构。然后利用有限元软件对初步选 定的材料和结构进行磁场和电场分析，参照以前研究学者对线性离子源磁路和电场的 研究，对其相关结构进行优化修正。在此优化过程之后，引入电磁场作用下的等离子 体模拟方法，通过计算机模拟手段，对线性离子源的放电过程进行研究，从微观方面 探讨离子源结构和电磁约束对离子源产生的束流强度、离子束能量等性能的影响，并 继续进行整体优化。最后通过实验对优化后的线性离子源进行实际验证，对整套设计 模拟方法进行实际验证和总结。 6 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 另外，本文还将对离子源的性能和束流性质进行研究，探究该类离子源在使用过 程中的各种特性和现象，以提供线性离子源的使用依据。 1 4 1 拟解决的关键问题 ( 1 ) 线性离子源部分结构的设计，包括均匀布气、冷却和绝缘等部分，尤其是对 于小尺寸离子源的内部结构和尺寸的确定； ( 2 ) 线性离子源电场和磁场的模拟和初步优化； ( 3 ) 线性离子源在电磁场约束下的等离子体模拟研究。 1 4 2 方法和技术路线 本课题准备采用如下的方法和路线，具体流程如图1 7 所示： ( 1 ) 根据线性离子源的基本原理，利用p r oe n g i n e e r 或s o l i dw o r k s 三维绘图 软件初步设计出离子源的各部分结构，同时这些软件的参数化设计便于后续过程对离 子源的结构的优化和修改。 ( 2 ) 利用a n s y s 或者p o i s s o ns u p e r f i s h 软件导入初步设计的离子源模型， 对其电场和磁场进行模拟，并根据已知的理论指导对离子源的结构进行初步优化。同 时最终确定和记录划分网格后各个网格内的磁场值，为下一步的等离子模拟提供外界 磁场值输入。 ( 3 ) 运用p i c m c c 等离子体模拟方法，使用m a g i c 或o o p i c 等粒子模拟软件 对线性离子源的放电工作过程进行模拟，研究离子源的束流性质和其结构、磁场以及 电场之间的关系。 ( 4 ) 通过实验对模拟和优化结构进行实际验证，并进行后序的线性离子源的性能 研究和使用研究。 结搦再改进 磁场相融场的 p i c - m c c 等离予体 综合结狗设计 壤拙与优化 放电模投 后续援畿研究 蜜验验证譬分柝 图1 7 线性离子源的研究方法 f i g 1 7t h er e s e a r c hm e t h o do ft h el i n e a ri o ns o u r c e 一7 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 3 研究特色与创新之处 本课题的研究特色和创新之处就在于对离子源引入了等离子体模拟的技术，用于 对其工作放电过程进行模拟。在以往的关于离子源的研究论文中，为了改善离子源的 性能，往往侧重的是对离子源的磁路系统进行模拟。例如汪礼胜等人在线性阳极层 离子源磁路设计与电磁场数值模拟论文中提出线性离子源大部分磁通应该集中在通 道出口截面附近并形成一种透镜形式，同时要求靠近阳极附近磁通密度逐渐降低等要 求，并且在其论文中运用有限元分析软件a n s y s 对其磁场进行优化。但是对于离子 源的束流性能，并不是单方面由磁场决定的，同时还受布气，电压及放电室结构等因 素的影响。即使对于磁场，我们也无法寻找出磁场和离子源束流性质之间的确切关系， 因而没有一种确定的方法来优化和控制离子源的性质。 引入等离子粒子模拟方法，从微观上寻找离子源放电和离子源束流性质之间的联 系，并完全实现在计算机上的虚拟设计和模拟优化，因而可以节省了大量的时i 、白j 和实 验。 一8 东北大学硕士学位论天 第2 章线性离子潍的原理和结构设计 第2 章线性离子源的原理和结构设计 2 1 线性离子源的工作原理 线一降离子源的工作原理与磁控溅射的原理类似，都是以辉光放f 乜和带电粒子在电 磁场中的运动为基础的【2 4 2 s 1 。通过在阴阳极施加电压发生辉光放电，电离产牛电子和 离子，然后通过近似【f 变的电场和磁场剥电离后的电子进行束缚，限制电子的运动范 出，延长了电子的运动轨迹，使之在个固定的区域内呈旋轮漂移运动，从而增加了 电子与气体原子的碰撞几率，提高气体的离化率。而离子在阳擞和阴极电势差以及交 叉电磁场所形成的雀尔电流的共同加速下，从离子源下游引出。线性离子源的工作原 理如图2 1 所示。 高 _ 一 ? 一* 一阳” 姜：+ 。 岔韵 幽2 1 线陛离子源的【。作原理幽 f i g2i t h e f u