（电子科学与技术专业论文）等离子体基离子注入表面改性层的数值模拟研究.pdf

复旦大学博士后研冗 _ ：作报告 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p b i i 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。瞪槽表面的不同 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p b i i 注入过程及注入结果的变化规律进行 研究，可以深入理解p b i i 的物理本质，对优化p b i i 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。 关键词等离子体基离子注入；浓度深度分布曲线；等离子体鞘层；注入剂量 h - a b s t r a c t a b s t r a c t p l a s m ap a r t i c l em o d e lw a se s t a b l i s h e dt os i m u l a t ep l a s m as h e a t he x p a n d i n g b e h a v i o ra n dd i s t r i b u t i o no fi m p l a n t e dp a r t i c l ei nm o d i f i e dl a y e ri nt h ec o n t e x to f p l a s m ab a s e di o ni m p l a n t a t i o n ( p b i i ) p r o c e s s s i n g l ef a c t o rc o m p u t e re x p e r i m e n t w a sd e s i g n e da n dc a r r i e do u tt os t u d yt h ee f f e c t so fp b i ip r o c e s sp a r a m e t e r s ，i o n s p e c i e so fi m p l a n t a t i o na n dt h es h a p eo ft h et a r g e to nt h ei m p l a n t a t i o nr e s u l t sa n d c o n f o r m a li m p l a n t a t i o n s i m u l a t i o no fp l a s m as h e a t hf o r m e du n d e rp u l s e dv o l t a g ei np b i ip r o c e s sc a n h e l pt ou n d e r s t a n di t sb a s i cp h y s i c a lm e c h a n i s m ，a n da l s oc a no f f e re n e r g ys p e c t r u m a n da n g l es p e c t r u mo ft h ei n c i d e n ti o n s ，w h i c hi sv i t a lt ot h es u b s e q u e n ts i m u l a t i o n o fi o nd i s t r i b u t i o ni nt h ei m p l a n t e dl a y e r t r i mc o d ew a su s e dt o a c q u i r e c o n c e n t r a t i o nd e p t hd i s t r i b u t i o no ft h em o d i f i e dl a y e rw i t h s i n g l ee n e r g yi o n i m p l a n t a t i o n ，a n da i d e db yt h ei n f o r m a t i o nd e r i v e df r o mp l a s m ap a r t i c l em o d e l ，t h e c o n c e n t r a t i o n d e p t h d i s t r i b u t i o no f p b l lw a so b t a i n e d t h r o u g hw e i g h t e d s u p e r i m p o s i t i o n t y p i c a lt w o d i m e n s i o n a lt a r g e t sw e r eu s e di np l a s m ap a r t i c l em o d e l t h e s i m u l a t i n gr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ee l e c t r i c a lf i e l di su n e v e n l yd i s t r i b u t e di nt h e p l a s m as h e a t h ，a n dt h ec o n f o r m a lc o n d i t i o no ft h et a r g e ta n dt h es h e a t hb e c o m e s w o r s ed u r i n gi t se x p a n s i o n p u l s ew a v e f o r ma sw e l la ss h a p ea n dd i m e n s i o no ft h e t a r g e ti n f l u e n c et h ee l e c t r i cs t r u c t u r ea n dt h ee x p a n d i n gb e h a v i o ro ft h es h e a t h ， w h i c hw i l lr e s u l ti nt h ev a r i a t i o no fi o nd e n s i t yn e a rt a r g e ts u r f a c e t h e c h a r a c t e r i s t i co ft h ee l e c t r i cf i e l di n f l u e n c e st h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i co fi o n s t h a ta c c e l e r a t e di ni t ，a n df i n a l l yd e t e r m i n e si o ni m p a c te n e r g y ，i m p a c ta n g l eo n t h et a r g e ts u r f a c ew h e r et h em i s m a t c ho ft h es h e a t ha n dt a r g e ti sm u c hg r e a t ( i e s i d e w a l lo ft h et r e n c ha n dt h en e a rr e g i o no ft h ec o n c a v ec o m e r ) ，i o nm o v e si ns u c h ap a t hw h i c hc u r v a t u r ei ss m a l l e rt h a tt h a to ft h ee l e c t r i cf i e l dl i n e ，a n di m p a c t st h e s u r f a c eo ft h et a r g e tw i t ha no b l i q u ea n g l e t h en o n n o r m a li m p a c to ft h ei o n s w o u l dr e d u c ei o nr a n g e ，e n h a n c eb o t hs p u t t e r i n ga n db a c k s c a t t e r i n ge f f e c t ，a n d d e c r e a s er e t a i n e dd o s e a m o r p h o u ss i l i c o nw a su s e da st h es u b s t r a t et r e a t e db yp b i i ，a n ds i n g l ef a c t o r c o m p u t e re x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u t w i t hv a r y i n gi o ns p e c i e s ，p b i ip r o c e s s p a r a m e t e r s ( i n c l u d i n gp l a s m ad e n s i t y ，p u l s ev o l t a g e ，p u l s ew a v e f o r ma n dp u l s e w i d t h ) a sw e l l a s s h a p ea n dd i m e n s i o n o ft h et a r g e t ，s y s t e m a t i cs t u d yo f 复旦大学博士后研究工作报告 i m p l a n t a t i o n d o s ea n di t sd i s t r i b u t i o n o n t a r g e t s u r f a c ew a sc a r r i e do u t e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh i g h e rp u l s ev o l t a g ea n dt h el o n g e rp u l s e d u r a t i o n i n c r e a s et h e e x p a n s i o no ft h ep l a s m as h e a t h ，a n dt h u si n c r e a s e i o n i m p l a n t a t i o nd o s e a ss h e a t he x p a n d i n gt oal a r g e rs c a l e ，t h ee x p a n d i n gr a t es l o w s d o w n ，a n dt h er e t a i n e dd o s ed o e sn o ti n c r e a s el i n e a r l yw i t hp u l s ew i d t ho rp u l s e v o l t a g e h i g h e rp l a s m ad e n s i t yc o m p r e s s e st h es h e a t ht h i c k n e s s ，b u tt h ed e n s ei o n d i s t r i b u t i o ni np l a s m as h e a t hi n c r e a s e si o ni m p a c tc u r r e n ta n di m p l a n t a t i o nd o s e t h el o n g e ri st h ep u l s er i s et i m e ，t h el o w e ri st h ea v e r a g ev o l t a g eo nt h et a r g e t ，a n d t h el o w e ri st h ei m p l a n t a t i o nd o s e a l t h o u g hi n c r e a s et h ew i d t ho ft h et r e n c hw o u l d r e s t r a i nt h ee x p a n s i o no ft h es h e a t h ，b u tt h ee n h a n c e m e n to ft h ef o c u s i n ge f f e c t i n c r e a s e st h ei m p l a n t a t i o nd o s eo nt h et o ps u r f a c eo ft h et r e n c h a l s ot h ec o n f o r m a l c o n d i t i o nw a si m p r o v e di nt h a tc a s e ，t h ed o s et h a tr e a c h e st h es i d e w a l lo ft h et r e n c h i n c r e a s e s i o ns p e c i e s ，p b i ip r o c e s sp a r a m e t e r sa n dt h es h a p eo ft h et a r g e ta l li n f l u e n c e t h ei o nd i s t r i b u t i o ni nt h em o d i f i e dl a y e r i n c r e a s i n gt h ei o nm a s sw o u l de n h a n c e t h ea t o ms t o p p i n g - p o w e ro ft h es u b s t r a t e ，a n dd e c r e a s ei o nr a n g e h e a v i e ri o n ， h i g h e rp u l s ev o l t a g e ，s h o r t e rp u l s ed u r a t i o na l ld e c r e a s et h ef r a c t i o no ft h ei o n st h a t c a r r i e dp e a ki m p a c te n e r g y ，a n dd e c r e a s ea v e r a g ei o nr a n g ei nt h es u b s t r a t e t h e p u l s er i s et i m ed e c r e a s e ss h e a t he x p a n s i o na n dt h ea v e r a g et a r g e tv o l t a g e ，t h u st o d e c r e a s et h ef r a c t i o no ft h ei o n sw i t hp e a ke n e r g y i o ne n e r g ys p e c t r u ma td i f f e r e n t p l a c e so nt h es u r f a c eo ft r e n c h s h a p e dt a r g e ti sq u i t ed i f f e r e n t a tt h es i d e w a l la n d t h eb o t t o mo ft h et r e n c h ，t h el a r g e rf a c t i o no ft h ei o n sw i t hl o wa n dm i d d l ee n e r g y d e c r e a s ei o nr a n g ea n ds h i f tc o n c e n t r a t i o nd e p t hp r o f i l en e a r e rt ot h es u r f a c e i o n i m p a c tw i t ha l lo b l i q u ea n g l ee n h a n c e se t c h i n ge f f e c to f t h es u r f a c e ，a n da tt h es a m e t i m er e d u c e si o nr a n g e ，i n c r e a s e ss u r f a c ec o n c e n t r a t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w e dt h a tm o r es e v e r ee t c h i n ge f f e c to c c u r sw i t hi n c r e a s i n gi o ni m p a c ta n g l e t h ei n v e s t i g a t i o no ft h ee f f e c t so fp b i ip r o c e s sp a r a m e t e r so nt h ei m p l a n t a t i o n r e s u l t sw i t hp l a s m ap a r t i c l em o d e lw i l lh e l pt ou n d e r s t a n dp b i ip h y s i c a lm e c h a n i s m w i t hah i g h l i g h tt oo p t i m i z et e c h n i c a lp r o c e s sa n da c q u i r ep r e d i c t e dr e s u l t s k e yw o r d sp l a s m ab a s e di o ni m p l a n t a t i o n ；a u g e r e l e c t r o n s p e c t r o s c o p y c o n c e n t r a t i o nd e p t hp r o f i l e ：p l a s m as h e a t h ；i m p l a n t a t i o nd o s e i v 第1 章绪论 1 1 选题意义 第1 章绪论 等离子体基离子注入( p l a s m a b a s e d i o n i m p l a n t a t i o n ) 技术是为了摆脱束线离 子注入视线过程( 1 i n e - o f - s i g h t ) 的束缚加以研制的，该理念在1 9 8 7 年由美国的 j r c o n r a d 提出，并于1 9 8 8 获得美国专利【1 1 。和束线离子注入一样，等离 子体基离子注入可以把原子或离子引入固体衬底表面层中的一定位置，从而使 材料表面和基体性能得到改善1 2 i 。该技术不受热力学和动力学的限制，可以不 通过加热、激冷，在室温下直接获得过饱和固溶体和非晶态等热力学非平衡组 织，使经注入获得的改性层具有许多优异的性能，而且它不存在一般涂层的结 合力问题和热变形问题【5 6 ，9 ，1 0 , ”1 。试验证明p b i i 可以获得表面改性所需要的 离子注入浓度及深度，提高材料表面的机械性能”2 ，”“1 ，从而延长工件的使用 寿命1 15 , 1 6 1 。同时，p b i i 从根本上摆脱了传统的束线离子注入视线过程 ( 1 i n e 。o f - s i g h tp r o c e s s ) 的不足，对几何形状复杂零件，可以在各个表面同时实 现注入，而不需附加复杂的工件转动装置和离子束扫描系统pj 。这一特点简化 了设备并降低了成本，使p b i i 在工业应用中具有极大的潜力8 ，1 2 , 1 7 , 18 , 1 9 , 2 0 ，2 1 ， 2 2 1 。 围绕工件的等离子体为注入提供离子，在脉冲偏压作用下所形成的具有电 场结构的等离子体鞘层，是实现全方位离子注入的先决条件，鞘层的扩展方式 决定了离子的入射方式。另外，p b i i 技术本身受到一些物理因素和技术因素的 制约，例如入射离子质量未经分选，入射离子能量连续分布等。上述因素都将 影响注入结果，使改性层的浓深分布有别于传统的单一能量、单一种类的束线 离子注入的结果，并造成工件表面的注入剂量不均匀分布。大量研究结果表明， 表面改性的效果取决于离子注入的剂量和改性层的深度。因此，尽管p b i t 是非 视线过程，可以对复杂形状工件的所有表面同时注入，并能实现批量处理但 对p b i i 处理后的工件进行剂量均匀性分析和浓度深度分析将是进一步发展该 技术的前提。 p b i i 过程中所选取的工艺参数以及待注入工件的形状及尺寸会影响到鞘 层的扩展方式，从而最终决定工件表面的注入剂量分布和表面层的改性效果。 本文选择典型形状工件，建立等离子体粒子模型模拟鞘层的扩展，并根据离子 的入射信息模拟了入射离子在改性层中的分布；设计并进行计算机试验，研究 p b i i 工艺参数、注入元素种类、待注入工件的形状对靶表面剂量分布以及改性 层成分分布的影响规律。 复旦大学博士后研究工作报告 这部分工作对进一步完善等离子体基离子注入理论，优化试验规程以及使 其能够稳定地大规模地在工业生产上应用具有重要的意义。 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 在p b i i 过程中，待注入靶湮没在等离子体中，并被施以负脉冲偏压。在脉 冲时段内，等离子体中的离子被电场加速实现注入，而在脉冲间隙，被电压扰 动的等离子体得到重建。图1 - 1 为p b i i 装置及全方位注入的示意图，由图可见， 在处理过程中工件被等离子体所包围，入射离子来自四面八方，从而实现了工 件的所有表面同时注入【1 2 ，1 7 ，2 3 ，2 4 , 2 5 1 。 图1 - 1 等离子体基离子注入装置示意图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cp r e s e n t a t i o no fa na p p a r a t u sf o r p l a s m ab a s e di o ni m p l a n t a t i o n 2 - 第1 章绪论 与束线离子注入相比，等离子体基离子注入具有如下优点： 1 设备简单，成本较低，只需运行真空系统，无须产生和控制离子束： 2 为低温处理过程，高束流覆盖整个表面，避免了强离子束扫描引起的局 部发热问题旧】，可用于处理热敏材料l 2 6 l ； 3 有着高的剂量率，入射离子能量范围较宽，可实现大面积的注入【2 1 l 。 p b i i 的应用范围很广，不仅能实现金属材料的表面改性，而且在半导体工 业领域陋2 9 1 以及高分子材料的表面处理【3 0 1 方面均有应用。最初的研究结果表 明，无须待注入靶转动，p b i i 可在非平面靶上获得可接受的剂量均匀性1 i ，并 且这种均匀性在批量生产中亦可获得8 ，3 2 , 3 3 j 。p b i i 的优越特性，吸引了世界 各国许多科研机构的关注，他们对该项技术进行了深入研究i 4 。4 。 p b i i 体系的一个极大的优点是可以在一个真空室内实现多种表面处理工 艺，为几乎所有的等离子体基处理添加高能离子轰击过程【4 “，包括等离子体氮 化，等离子体增强p v d 或c v d 。高能离子的轰击作用造成的界面混合，增强 了改性层与基体间的结合力1 4 “。因此p b i i 技术可作为增强膜基结合力的处理 过程 4 3 】加以应用，并能和其他沉积技术结合产生许多全新的表面处理过程。这 一特点拓宽了p b i i 技术的应用领域并提高了效率。研究结果表明，可以应用 p b i i 制备较厚的表面改性层，梯度界面层和d l c 膜等性质优良、结合力好的 改性层。 目前，p b i i 技术的研究主要集中在如下几个方面： 1 单纯注入 运用p b i i 进行气体离子的注入( 如n ，c 等) ，以改善金属材料表面特性i l 。 对不锈钢表面n p b i i 可以提高表面的硬度和耐磨损性能，注c 可以降低摩擦 系数，改善基体的摩擦学特性。尤其可贵的是，这一过程可以使不锈钢的表面 变硬但又不损失其耐腐蚀的特性，极大地扩展了不锈钢的应用领域【4 4 4 ”。对高 速钢和轴承钢的n p b i i 结果也表现出了增强的表面性能和延长的使用寿命i l 。 a l 表面致密的氧化物阻碍了n 的扩散，传统的氮化方法不能生成厚度超过 1 3 u m 的a 1 n 层。应用p b i i 可以实现a l 合金的氮化过程，使其表面硬度和耐 磨损性能显著提高4 9 53 1 ，而且生成的a i n 改性层可以作为后续沉积硬质膜( 如 c r n ) 的支撑层【4 们。t i 及其合金经p b i i 处理后，表面形成了t i n 5 4 ，5 5 1 , 增加了 表面的显微硬度。使基体的摩擦磨损性能得到提高2 0 ，2 4 , 5 6 , 5 7 , 5 8 , 5 9 1 0 2 d l c 膜的合成 等离子体基离子注入碳时，尽管采用碳氢化合物气体作为碳源，但当其被 激发为冷等离子体时会分解为碳原子，出现沉积现象，生成类金刚石碳膜 ( d i a m o n dl i k ec a r b o nf i l m ) 1 6 0 】。d l c 膜具有许多优良的特性，吸引了科研工 作者的关注6 1 ，6 2 ，63 1 。d l c 膜具有高硬度、低摩擦系数的特性，可以增强基体 复且大学博士后研究工作报告 材料的摩擦磨损性能6 4 娟7 】：d l c 膜具有化学惰性可以显著提高材料的耐腐蚀 性能；d l c 膜具有高电阻性，适于应用在某些电学环境【6 引。应用p b i i 合成d l c 膜的优越性在于，可以在基体材料和涂层之间构造一个c 浓度梯度界面，极大 地释放热应力和内应力，增强了膜与基体间的结合力队6 9 , 70 1 ，解决了d l c 膜 易剥落的问题。 3 金属p b i i 金属p b i i 是p b i i 技术的延伸它利用金属等离子体的稠密特性和金属原 子大的碰撞截面，同时采用稳态的气体等离子体和脉冲金属等离子体，将离子 注入和薄膜沉积结合在一起。在金属p b i i 技术中，注入和沉积交替进行，同时 具有直接注入和反冲注入的特性，从而形成结合力优良的界面混合层，产生性 质不同的表面改性结果叭7 2 ，73 1 。在金属p b i i 过程中，用阴极弧或磁控靶在真 空室内激发金属等离子体，在每一电压脉冲的开始施加、延续和下降的阶段， 金属离子在工件表面产生轰击溅射和注入效应，而当脉冲电压为零阶段时则发 生金属的沉积。若沉积速率大于溅射和离子注入混合效应，则除了产生注入层 外还会产生沉积层。在离子注入混合效应的作用下，从沉积层到基体表面成分 是渐变的，膜基结合是无界面结合，完全不同于一般物理气象沉积。与无界面 混合的沉积相比，这种结合方式不仅能改善膜与基体的结合力，还可以降低由 于膜材料与基体的结构不匹配而造成的应力【7 4 1 。研究表明，该工艺可以在三维 基体表面形成均匀分布的t i n 涂层【7 t ”。 4 升温p b i i 在p b i i 过程中，高电压脉冲的宽度和重复频率可以在较大范围内变化，即 可以通过调整试验参数，包括电压，脉宽和脉冲重复频率( 即能量沉积率) 来 调整注入过程中靶所处的温度，从而实现常温，中温和高温注入，以满足材料 的性能要求m 7 8 ，7 9 1 。如果有些工件本身不要求限制其注入温度，则可以利用注 入粒子所沉积的能量加热工件，以促进其热扩散，提高注入元素的注入深度， 由此产生了升温p b i i 。 升温p b i i 的过程实质是将p b i i 与等离子体氮化相结合1 2 ”，从而获得较厚 的改性层。应用p b i i 可以在低于等离子体氮化温度的条件下，使n 的增强扩 散区域超出注入的射程深度，增大改性层的厚度。在升温p b i i 中，n 引入基体 衬底不仅依赖于n 元素在金属表面的热化学吸附，还来源于表面层5 0 - 1 0 0 n m 处由注入引入的n 元素。在近表面产生的高n 浓度区还会驱动后续的n 扩散， 因此可以在2 0 0 。c 4 5 0 。c 的温度范围内实现“氮化”，这一特点使其适用于处理 不耐高温的合金和组分。 5 等离子体基离子注入混合 p b i i 对金属的注入可以提高其耐磨损和耐腐蚀性能，但这种应用受到了离 -4- 第1 章绪论 子注入固有的注入深度浅的束缚。研究人员将p b i i 技术和p v d ，c v d 等镀膜 技术结合起来，使其兼具气相沉积和离子注入的优点，以制备较厚的改性层【2 3 ， ”j 。离子注入混合的概念是：在基体上沉积一层材料，然后用离子轰击该沉积 层，离子的能量足以使注入离子的分布区域超过膜的厚度。离子注入效应使混 合注入层与基材之间没有截然分开的界面，比普通物理气相沉积沉积层与基材 之间的结合力好得多。该技术的目的是为了在较低的离子剂量下得到比通常高 剂量注入技术更高的溶质浓度。 等离子体基离子注入混合延伸了离子辅助沉积的理念( 通常离子能量在 1 0 0 到1 0 0 0 e v 之间) ，在涂层沉积的过程中，使用了具有更高能量的离子进行 轰击。沉积和注入过程相结合，可以使改性层随工艺时削的延长而增厚，而不 象纯离子注入那样，注入层深度受注入离子能量的限制。采用多周期p b i i ，可 以在多层膜之间和膜与基体之间产生界面混合，增强结合力，获得较厚的沉积 层、梯度层、以及无界面的多层结构。p b i i 的脉冲特性使高能离子轰击只占总 沉积时间的一小部分，但该过程对于改性层的结构，成分和性能将会产生很大 的影响。用该方法可以设计多层膜的结构和成分，很有应用前景8 1 , 8 2 】。 1 2 2 等离子体基离子注入技术的局限性 p b i i 受到物理因素和技术因素的制约，具有如下局限性： 1 注入离子能量受冷等离子体的特性限制，例如在一定的气压和一定的离 子密度情况下，可以施加的脉冲峰值电压有一定的限制，因此，目前等离子体 基离子注入所采用的脉冲峰值电压一般都在1 0 0 k v 以下，这就限制了离子注入 深度。 2 由于没有对离子种类进行分选的磁场，即使采用单一介质，等离子体中 离子也非单一种类离子( 如氯等离子体中n + 和n 2 + 同时存在) 。不同种类离子 在相同脉冲电压作用下，其注入效果也不一样，因此，p b i i 注入层中注入元素 的浓度深度分布与束线离子注入有较大偏差。 3 离子注入能量呈连续分布，注入离子非单一能量，离子的能量分布取决 于离子电量、靶上偏压、气压、脉宽等p i ，“j 。 4 p b i i 不是一个连续过程，在每一脉冲时段内，在峰值电压平台发生离 子注入效应，而在电压为零时，工件浸泡在等离子体中，只发生中性离子吸附、 沉淀作用，而无离子注入效应。 5 难以实现在线的剂量监测，离子加速轰击靶表面以及由此产生的二次电 子发射会导致高的电流密度并有可能形成x 射线。 上述特点使p b i i 有别于传统的束线离子注入过程，而具有许多独有的特性。尽 管p b i i 摆脱了视线过程的束缚，早期的研究结果证明在试样表面可获得均匀的 一5 - 复旦大学| 尊士后研究t 作报告 结果，但进一步的研究却揭示出靶表面不均匀的剂量分布是不可避免的。 1 3p b i i 的基本物理过程 p b i i 过程中，高压脉冲作用下形成的等离子体鞘层为注入提供所需的离 子，并且是离子加速的场所。鞘层的形状及其扩展方式决定了入射离子的能量 分布和角度分布，直接影响到了工件表面保留剂量的分布。因此有必要先了解 等离子体鞘层的形成原理，以及在脉冲时段等离子体鞘层的扩展行为。 首先介绍描述等离子体特性的几个概念。等离子体密度表示单位体积内所 含粒子数的多少，一般用n ，表示离子密度、表示电子密度。在讨论等离子体 平衡性质时，我们常把等离子体当作理想气体来处理。这种近似的物理本质是， 认为带电粒子的库仑相互作用位能远远小于热运动的动能： 磊4 z r ed 础丁 ( 1 - 1 ) 0 、 上式为等离子体理想气体化条件，在此假定下，可以认为每个粒子几乎是 自由的，可将等离子体看作是理想气体，它在平衡状态下的粒予服从b o l t z m a n n 分布。 温度是一个重要的热力学量，当物质的状态处于热平衡时，可以用一个确 定的温度来描述。等离子体中存在两种粒子，而且电子质量和离子质量相差很 大，他们之间的相互作用可以视为是完全弹性的，在碰撞中不易进行能量的传 递。因此对于密度较高的等离子体，其内部可能出现局部热平衡状态，即等离 子体中两种不同的粒子成分，各自处于热平衡状态，人们称等离子体为双温等 离子体。为了研究方便，等离子体温度用能量单位电子伏特( e v ) 作为测量单 位。用能量单位测量温度，这是把温度理解为描述离子热运动的能量。 等离子体频率包括电子等离子体频率和离子等离子体频率，是指等离子体 中的带电粒子集体振荡频率，它的大小表示等离子体对电中性破坏反应的快慢。 德拜长度如是等离子体中由于热运动而引起的正负电荷分离的最大线度， 如果某一电离气体表现出等离子体的特性，那么其在空间上的最小线度必须远 大于其德拜长度。 1 3 1 在电场下等离子体鞘层的形成及b o h m 判据 理想等离子体中不存在电场，是等电位的，设等离子体电位为k ，若在等 离子体中插入平板导体电极，设该导体电极电位为k 。改变k 的值，使其相对 于等离子体电位吒有一个差值，并接通外电路，那么电极上便会有电流通过， 即等离子体必然会对外电势的扰动作出相应的反应，使电极近旁的等离子体不 再保持原有的状态“j 。 - 6 一 第1 章绪论 当k ，电极旁形成的电场吸引离子阻尼电子，至使离子密度大于电子 密度。随着电场的增强，在距电极一定距离的范围内会形成由离子构成的空间 电荷层，即离子鞘。低气压下离子鞘的简单模型见图1 2 。 咋2 0 “ 空间电荷限制 浸透电场热扩散电流 狃蠹z 罡竺，；! 竺 a b c 图1 - 2 离子鞘及其结构的简单模型【b 6 1 f i g 1 - 2s t r u c t u r eo fp l a s m as h e a t h 研究表明，在此情况下导体电极旁形成三个不同的区域即图中的等离子 体区、准中性等离子体区和离子鞘区。在与电极较远的地方，由于未受外电势 扰动，= h ，仍保持等离子体状态。但从过c 点的界面开始，导体电极电位k 的影响显露出来并越来越显著，形成负电场。不过在这个区域里负电场还并不 太强，故电子密度只减少很小的一点。另一方面，离子也因被加速而有某种程 度的减少，因此仍然保持。珥的状态。通常把这一部分称为准中性等离子体 区。准中性区一直延续到过b 点的界面处。在由b 点开始靠近导体电极的区域 中，电位梯度急剧增大，形成很强的负电场。受此强电场作用，大部分电子被 排斥，变成n e i i o d i t h ec h i l d l a n g m u i rs t e a d y s t a t ei sr e a c h e d 图1 3 等离子体鞘层在负高压脉冲v ( t ) 作用下随时间的演化，以及鞘层内带电 粒子的运动情况( 代表电子，0 代表离子) a ) t - 1 m p c ；b ) t 1 胁p i ；c ) t 1 o f i f i g 1 3s c h e m a t i ce v o l u t i o no fp l a s m as h e a t hw i t ht i m ew h i c ha l s os h o w st h e m o v e m e n to ft h ec h a r g e dp a r t i c l e s ( s t a n d sf o re l e c t r o n ，a n d0s t a n d sf o ri o n ) a ) t l 佃p 。；b ) t - i 0 ) 一c ) t 1 m p i 1 0 第1 章绪论 试验结果表明，测得的阴极电流与无碰撞c h i l d l a n g m u i r 情况接近，电位 分布的测量结果也与vc cx 4 3 的函数关系符合良好。 空间电荷效应可以说明典型的阴极鞘层厚度与德拜长度在数值上相差很 大。 1 3 3 等离子体基离子注入基本物理过程及鞘层扩展 当工件未施加负高压脉冲时，无任何电的联系，因而可视其为等离子体中 的悬浮插入物。由于低气压放电等离子体中的电子平均速度大于离子平均速度， 所以在最初阶段有比较多的电子扩散到工件表面，使工件相对于等离子体处于 负电位。该电位在等离子体和工件之间产生一个电场，加速离子向工件运动， 同时使电子向工件的扩散速度减慢。当工件相对于等离子体达到某一负电位， 该电位产生的电场及由此引起的带电粒子浓度梯度的作用，使达到工件的电子 流密度等于离子流密度，这一过程为双极扩散过程( a m b i p o l a rd i f f u s i o n p r o c e s s ) 。 当工件加上负偏压后，在up e - 1 的时间标度内( 。为电子等离子体频率) ， 工件周围电子被排斥，因为离子质量大于电子质量，离子保持静止状态，形成 离子阵鞘层( i o nm a t r i xs h e a t h ) ，随后在( 1 ) p i - i 的时间标度内( 6 0 。为离子 等离子体频率) ，鞘层内离子被加速冲向工件，形成注入效果“8 7 。8 8 , 8 9 】。 图1 3 为在脉冲的不同时刻，鞘层的扩展及其内部带电粒子的运动状况。 在脉冲的最初阶段，鞘层扩展速度大于离子声速。随着脉冲的推进，鞘层 扩展速度逐渐减慢，最后与离子声速相当。 1 4 等离子体基离子注入鞘层扩展模型的研究概况 鞘层的形状及扩展方式决定了注入离子的能量分布和角度分布，从而决定 了工件表面的注入剂量。对于形状复杂的工件，离子的入射方式更影响到了工 件表面剂量分布均匀与否。人们在研究等离子体基离子注入对材料表面改性的 同时，也渴望在等离子体鞘层扩展方面有更进一步的理解。模拟鞘层扩展的模 型主要有三种，应用c h i l d l a n g m u i r 定律建立的准静态解析模型：将等离子体 视为理想流体而建立的流体动力学模型：和追踪大量粒子运动然后进行统计平 均的等离子体粒予模拟。上述模型可以给出离子入射流、离子入射角、离子入 射能量和离子注入剂量等预期结果，对试验设计具有指导意义。 对等离子体基离子注入过程鞘层扩展的模拟，一般都根据该技术的特点对 模拟状况进行假设。由于等离子体基离子注入采用低温等离子体，因此可以假 定离子是冷的；注入时采用低气压( 一般为1 0 - 4 t o r r ) ，其粒子平均自由程通常大 于鞘层宽度，因此假定离子无碰撞；由于靶上所加负偏压很高，因此忽略离子 复旦大学博士后研究一【作报告 及电子的热运动，离子能量只通过电场获得；忽略电子热运动，假定电子服从 b o l t z m a n n 分布。 1 4 1 准静态鞘层模型 准静态鞘层模型假定在鞘层扩展的每一瞬间，达到阴极的入射离子流满足 c h i l d l a n g m u i r 空间电荷限制发射定律。同时假定入射离子有两个来源，由鞘 层扩展裸露出的离子和以一定速度漂移进入鞘层的离子所提供；电场固定不变， 不受离子运动的影响。上述假设是求解鞘层解析解的必要条件。达到靶表面的 离子电流密度由下式给出： ，= g n 。l ( a 础s + v 。 ( 1 1 5 ) 式中s 一鞘层边界和阴极的距离：v s 一离子的漂移速度。结合c h i l d l a n g m u i r 空间电荷限制发射定律： ，= 产4 悟矿讯( 1 - 1 0 )j 。百岛、言叩5 得到鞘层扩展方程： 尘=鱼!o，v仁qm矿dt 9 n 厶2 飞 ( 1 1 7 ) 1 、 ， 阴 极 靶 图1 。4 鞘层扩展示意图 f i g1 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fs h e a t he x p a n s i o n 1 2 - 第l 章绪论 通过求解鞘层扩展模型，并假设鞘层内的离子均达到靶，即可确定注入电 流，及注入剂量。假定在每一脉冲时段，鞘层内离子均能达到靶，则得每脉冲 电流计算公式： 每脉冲电流= 离子电量鞘层包围体积x 等离子体密度脉宽 图1 4 为鞘层扩展示意图。 迄今为止，已经建立了针对不同的靶形状，不同的脉冲波形1 9 “，不同的等 离子体成分的准静态鞘层扩展模型。通过模拟，可以得到有关注入电流，、 离子注入剂量和离子入射能量分布等重要的信息。结合粒子轰击引发的二次电 子发射流的信息，还可以得到了靶上的总电流一2 ，”j 。 l i e b e r m a n 【9 4j 应用方波，针对一维平面靶，假定离子以离子声速( v ，= c s ) 穿越鞘层的边界，模拟了依时问变化的等离子鞘层扩展。 j t s c h e u e r 9 0 1 和m s h a m i m 9 5 】将l i e b e r m a n 的解析模型扩展到圆柱形和球 形靶，并与试验结果进行了比较，符合良好。由于该模型没有预鞘层的假设， 因此不受s s 。，的情况。在模拟中忽略了离子穿越鞘 层的漂移，即假定v 。= 0 。当脉冲波形为理想方波时，在，= 0 + 时