脈沖等離子體工藝中等離子體與表面相互作用數值研究.pdf

1、本文旨在以高功率調制脈沖磁控濺射(Modulated Pulsed Power Magnetron Sputtering，MPPMS)、等離子體基離子注入(Plasma-Based Ion Implantation，PBII)和等離子體基低能離子注入(Plasma-Based Low-Energy Ion Implantation，PBLEII)三種脈沖等離子體工藝為對象，建立模型并數值研究脈沖等離子體工藝中與表面相互作用的離子能量、通

2、量和均勻性，推動相關工藝的數值研究進展、展示脈沖等離子體特性應用于表面改性工藝的優(yōu)勢。通過數值研究MPPMS工藝放電特性對離子沉積能量、PBII工藝脈沖鞘層動力學對離子注入電流密度和PBLEII工藝等離子體特性對離子注入電流均勻性的影響，理解脈沖等離子體工藝中等離子體與表面的相互作用，揭示工藝機理、優(yōu)化工藝參數、拓展工業(yè)應用，并為其它脈沖等離子體表面改性工藝的數值研究起到示范作用。
　　MPPMS工藝具有高達90％以上的濺射粒子離

3、化率，荷能離子沉積獲得薄膜顯微結構較常規(guī)磁控濺射工藝有明顯改善。MPPMS工藝放電特性直接決定了離子沉積能量、從而決定了沉積薄膜的顯微結構、擇優(yōu)取向和晶粒尺寸，是MPPMS工藝數值研究的關鍵問題。本文第二章建立了描述MPPMS放電的等離子體模型，模型基于離化區(qū)域粒子平衡和能量平衡并考慮了電子橫越磁力線的擴散損失。模型計算獲得了MPPMS脈沖放電等離子體參數隨時間的變化，并實驗研究了相應條件下沉積Cu薄膜的顯微結構。結果表明，工作氣壓由0

4、.1 Pa提高至0.7Pa，強離化階段電子密度由8×1018 m-3增加至接近2×1019 m-3、電子溫度由6～8 eV降低至4 eV左右、表征輸入功率中用于有效加熱電子并維持放電的有效功率傳遞系數由0.07～0.09降低至0.06左右。采用上述模型計算獲得的等離子體參數評價離子沉積能量和基片溫度，當工藝參數改變導致兩者降低時，吸附原子在表面的擴散遷移能力減弱、基片上輸入能量減小，導致實驗觀察到的沉積Cu薄膜由擴展結構區(qū)域示意圖中晶粒

5、尺寸分布較大的無孔隙致密結構Zone T向具有精細柱狀晶和晶間孔隙的欠致密結構Zone1轉變、晶間孔隙和表面粗糙度增加、晶粒尺寸減小。模型很好的解釋了沉積薄膜顯微結構的轉變，意味著此模型已考慮了MPPMS放電主要的等離子體過程，有助于揭示MPPMS等離子體放電特性對離子沉積能量、從而對沉積薄膜顯微結構的影響機制。
　　PBII工藝在浸沒于等離子體中的樣品上施加脈沖負偏壓，可實現(xiàn)樣品各表面同時注入改性，改性效率遠高于常規(guī)離子束注入工

6、藝。PBII工藝脈沖鞘層動力學直接決定了離子注入電流密度、從而決定了改性效率，是PBII工藝數值研究的關鍵問題。本文第三章采用離子連續(xù)性方程、離子運動方程和實驗測量的等離子體擴散系數建立了磁化等離子體擴散流體模型，結合磁化鞘層碰撞流體模型，描述了PBII工藝中包括脈沖施加時間鞘層擴展和脈沖間歇時間等離子體回復的全脈沖周期等離子體動力學行為，模型準確性得到實驗診斷結果的驗證。典型PBII工藝參數下，考慮等離子體擴散，穩(wěn)態(tài)鞘層寬度由0.05

7、 m增加至0.06 m，相應離子注入電流密度由4.2 A/m2降低至2.8 A/m2。增強等離子體擴散的工藝參數改變會降低穩(wěn)態(tài)鞘層寬度并提高離子注入電流密度，反之亦然。不同于單脈沖情況，多脈沖作用下脈沖頻率由1 kHz提高至100 kHz，平均離子注入電流密度顯著提高，影響改性效率的限制因素由占空比轉變?yōu)榈入x子體擴散。改性效率隨主等離子體密度線性提高、存在橫向磁場時顯著降低，其它工藝參數影響不顯著。
　　PBLEII工藝采用高等離

8、子體密度結合低脈沖負偏壓，大幅減小了鞘層厚度，能夠實現(xiàn)保形性的表面改性效果。PBLEII工藝等離子體特性直接決定了離子注入電流均勻性、從而決定了表面改性的保形性，是PBLEII工藝數值研究的關鍵問題。本文第四章理論并實驗研究了PBLEII全工藝過程等離子體特性與保形性表面改性，揭示了PBLEII工藝機理并獲得優(yōu)化的工藝參數。采用等離子體整體模型模擬電子回旋共振(ElectronCyclotron Resonance，ECR)微波放電產生

9、1011～1012/cm3高密度等離子體的物理過程，模型結果獲得實驗診斷驗證。采用磁化等離子體擴散流體模型計算等離子體沿發(fā)散磁場擴散至處理腔室的輸運過程，結果表明PBLEII工藝在樣品表面產生均勻分布的等離子體，有利于獲得均勻的改性效果。降低工作氣壓會減小等離子體與中性粒子的碰撞，提高樣品表面等離子體密度。采用磁化鞘層碰撞流體模型計算脈沖施加時間鞘層保形性擴展和低能離子注入過程，工作氣壓5×10-2Pa、等離子體源密度由2×1011/c

10、m3提高至5×1011/cm3,樣品表面等離子體密度由1×1010/cm3提高至2.5×1010/cm3、鞘層厚度降低、注入電流密度和改性效率提高，注入均勻性得到改善。將獲得的離子注入電流密度作為邊界條件，采用非線性動力學離散模型描述奧氏體不銹鋼中氮離子低能注入同步熱擴散的輸運過程，模型計算氮濃度深度分布與EPMA測量結果一致。計算了滲氮層厚度分布以評價表面改性的保形性，在工作氣壓5×10-2 Pa和微波吸收功率300 W的優(yōu)化工藝參數