半圆形容器等离子体源离子注入过程中离子动力学的两维PIC计算机模拟

利用两维particle-in-cell方法研究了半圆形容器表面等离子体源离子注入过程中鞘层的时空演化规律. 详尽考察了鞘层内随时间变化的电势分布和离子密度分布规律,离子在鞘层中的运动轨迹和运动状态,得到了半圆容器内、外表面和边缘平面上各点离子注入剂量分布规律,获得了工件表面各点注入离子的入射角分布规律. 研究结果揭示了半圆容器边缘附近鞘层中离子聚焦现象,以及离子聚焦现象导致工件表面注入剂量分布和注入角度分布存在很大不均匀的基本物理规律. 关键词： 等离子体源离子注入 鞘层 两维particle-in-cell方法 离子运动轨迹     

梯形管内壁等离子体离子注入鞘层扩展MATLAB-PIC数值模拟

基于MATLAB利用Particle-in-cell模型,对梯形管内壁等离子体离子注入过程,进行了二维数值模拟.计算结果表明在中心电极附近出现了"阳极鞘层",该鞘层内部不存在离子,而且在鞘层边缘离子密度最高.在上下管壁上的离子注入剂量呈现"m"形分布.通过对注入过程中等离子体密度分布和不同时间段管壁不同位置离子注入剂量的跟踪,发现"阳极鞘层"扩展行为是导致"m"形分布的原因.由于梯形管形状的不对称性,"阳极鞘层"的边缘向梯形长底方向扩展较快.在注入初始时刻离子注入的能量很低,随着时间延长离子能量逐渐升高,这是由离子初始位置决定的.可见梯形管自身形状决定了鞘层形状和最终的离子注入能量和剂量分布.     

介质靶表面的充电效应对等离子体浸没离子注入过程中鞘层特性的影响

针对等离子体浸没离子注入技术在绝缘体表面制备硅薄膜工艺，采用一维脉冲鞘层模型描述介质靶表面的充电效应对鞘层厚度、注入剂量及靶表面电位等物理量的影响.数值模拟结果表明：随着等离子体密度的增高，表面的充电效应将导致鞘层厚度变薄、表面电位下降以及注入剂量增加，而介质的厚度对鞘层特性的影响则相对较小. 关键词： 等离子体浸没离子注入 脉冲鞘层 绝缘介质 充电效应     

表面凹陷对等离子体浸没离子注入均匀性的影响

利用二维流体模型和数值计算方法模拟了等离子体浸没离子注入（ＰⅢ）Ｋ ,具有圆弧凹槽的平面靶周围的鞘层扩展情况,计算了鞘层扩展过程中的电热分布、离子速度和离子密度变化获得了沿靶表面的离子入射角度和注入剂量的分布情况,为等离子体浸没离子注入处理复杂形状靶提供了理论基础。     

有限尺寸方靶等离子体离子注入动力学的三维粒子模拟研究

采用三维粒子模拟模型研究了有限尺寸方靶等离子体浸没离子注入过程中的鞘层动力学行为,得到了鞘层尺寸和方靶表面的注入剂量、注入能量以及注入角度等信息,并与二维无限长方靶注入结果进行了对比.模拟结果表明,与无限长方靶不同,有限尺寸方靶周围鞘层很快扩展为球形,但鞘层厚度明显减小.在模拟的50ω^-1_pi时间尺度内靶表面注入剂量很不均匀,中心区域注入剂量最小,四个边角附近位置注入剂量最大.这种剂量不均匀性是由于鞘层扩展为球形,使得鞘层内离子被聚焦并注入到边角附 关键词： 等离子体浸没离子注入 数值模拟 三维粒子模拟 有限尺寸方靶     

等离子体源离子注入鞘层随时空演化的数值模拟

在等离子体源离子注入装置中(PSⅡ),靶被直接放入均匀等离子体源中,并在其上加负高压脉冲,从而使靶的周围形成了一个只存在离子的等离子体鞘层,离子以较高速度注入靶中。利用冷流体方程和泊松方程组成的非线性方程组对一维平面几何鞘层时空演化过程进行数值模拟,所采用的负高电势脉冲波形为方波和梯形波,得到了电子密度、离子密度、电势分布的时空演化曲线,并首次对梯形波下降沿时间内鞘层时空演化作了详细讨论。     

脉冲偏压上升沿特性对等离子体浸没离子注入鞘层扩展动力学的影响

等离子体浸没离子注入(PIII)是用于材料表面改性的一种廉价高效、非视线的技术.采用等离子体粒子模型，通过假设电子密度服从Boltzmann分布，求解Poisson方程和Newton方程，跟踪离子在等离子体鞘层中的运动形态及特性并进行统计分析，研究了不同上升速率和形状的6种波形上升沿对鞘层时空演化、离子注入能量和剂量的影响.结果表明，在PIII过程中，脉冲上升沿影响了等离子体鞘层的扩展，且不同波形诱导的鞘层厚度间存在最大差值.电场强度在鞘层的外边缘区域存在陡降区，离子的运动为非匀加速过程.可以通过调整脉冲 关键词： 等离子体浸没离子注入 鞘层 粒子模型 上升沿     

聚合物物理属性对离子注入效应的影响

聚合物导电性能差, 表面电荷积聚所产生的电容效应致使其表面电位衰减, 采用等离子体浸没离子注入对其表面改性是非常困难的. 建立了绝缘材料等离子体浸没离子注入过程的粒子模拟(PIC)模型, 实时跟踪离子在等离子体鞘层中的运动形态及特性并进行统计分析. 并基于PIC模型, 将聚合物表面的二次电子发射系数直接与离子注入即时能量建立关联, 研究了聚合物厚度、介电常数和二次电子发射系数等物理量对鞘层演化、离子注入能量和剂量的影响规律. 研究结果表明: 当聚合物厚度小于200 μ m, 相对介电常数大于7, 二次电子发射系数小于0.5时, 离子注入剂量和高能离子所占的份额与导体离子注入情况相当. 通过对聚合物表面离子注入剂量和高能离子所占份额的研究, 为绝缘材料和半导体材料表面等离子体浸没离子注入的实现提供了理论和实验依据.     

在等离子体源离子注入中靶周围等离子体的行为

在等离子体源离子注入中，将待处理的工件直接放在等离子体内，并在工件上按一定的占空比加脉冲连续式负偏压，我们通过计算，分析了在工件未加负偏压时等离子体对工件的作用，并给出了在工件加上负偏压时注入工件的离子能量的简化分布模型，最后计算了在负偏压脉冲持续时间内离子阵鞘层边界的扩展。     

等离子体源离子注入鞘层时空演化的研究

本文使用流体动力学模型，研究了平板、柱形和球形靶的无碰撞及碰撞等离子体鞘层的时空演化，得到了鞘层边界演化、靶表面的离子注入电流密度和离子注入平均动能等参量。     

Influence of ion species ratio on grid-enhanced plasma source ion implantation

Grid-enhanced plasma source ion implantation (GEPSII) is a newly proposed technique to modify the inner-surface properties of a cylindrical bore. In this paper, a two-ion fluid model describing nitrogen molecular ions N_2^+ and atomic ions N^+ is used to investigate the ion sheath dynamics between the grid electrode and the inner surface of a cylindrical bore during the GEPSII process, which is an extension of our previous calculations in which only N_2^+ was considered. Calculations are concentrated on the results of ion dose and impact energy on the target for different ion species ratios in the core plasma. The calculated results show that more atomic ions N^+ in the core plasma can raise the ion impact energy and reduce the ion dose on the target.     

Two-dimensional particle-in-cell plasma source ion implantation of a prolate spheroid target

A two-dimensional particle-in-cell simulation is used to study the time-dependent evolution of the sheath surrounding a prolate spheroid target during a high voltage pulse in plasma source ion implantation. Our study shows that the potential contour lines pack more closely in the plasma sheath near the vertex of the major axis, i.e. where a thinner sheath is formed, and a non-uniform total ion dose distribution is incident along the surface of the prolate spheroid target due to the focusing of ions by the potential structure. Ion focusing takes place not only at the vertex of the major axis, where dense potential contour lines exist, but also at the vertex of the minor axis, where sparse contour lines exist. This results in two peaks of the received ion dose, locating at the vertices of the major and minor axes of the prolate spheroid target, and an ion dose valley, staying always between the vertices, rather than at the vertex of the minor axis.     

Variations of Plasma Parameters and Sheath Thickness Due to the Extraction of Ion and Electron Flux in a Double Plasma Device

Influence of charged particle extraction on plasma parameters and on ion sheath has been investigated in a double plasma device. When ions are extracted from the plasma, the plasma density as well as the positive ion flux into the sheath increases. As a result a sheath contraction takes place. Again, in case of electron extraction, it is found that the plasma density as well as the positive ion flux into the sheath decreases. As a result a sheath expansion takes place. Furthermore, it is observed that the floating potential of a plate can be controlled by extracting charged particles from the plasma. (© 2008 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

等离子体源离子注入过程中半圆形碗状样品的两维温度分布

等离子体源离子注入过程(PSII)中样品温度是一个非常重要的参量。由于注入到样品上的能量很大，导致样品温度很高，所以在实验中获知样品的温度分布有着很重要的意义。本文利用热传导方程建立了半圆形碗状样品内部温度升高模型，研究样品内温度演化过程。以注入离子束流作为能量输入项，热辐射为能量损失项，并考虑了热辐射过程中样品的形状因子的影响。考察了离子注入过程中样品上所施加负偏压的脉冲宽度和频率对样品温度分布的影响。研究结果显示，脉冲频率达到一定值后，样品温度不再随频率增加而升高。