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.     

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     

空心圆管端点附近等离子体源离子注入过程中鞘层的时空演化

等离子体源离子注入过程中，鞘层的演化规律直接影响到离子注入到材料中的深度进而影响材料表面的性质和结构，对材料的不同部位这种影响是不同的.利用无碰撞两维流体动力学模型，研究了有限上升时间的电压脉冲作用下，共轴放置附加零电极的半无限空心圆管端点附近等离子体源离子注入过程中，鞘层的时空演化规律.通过计算得到了鞘层内随时间变化的电势分布和离子密度分布，计算了端点附近材料表面处的离子流密度分布和注入剂量分布随时间的变化规律.计算机模拟结果显示了空心圆管内部、外部及端点表面处的离子流密度分布和注入剂量分布存在很大差异.     

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。     

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.     

脉冲束流引出时的等离子体鞘层变化

采用一维无碰撞的动力学鞘层模型计算了脉冲等离子体在恒压引出时的等离子体鞘层厚度变化,分别对短脉冲和长脉冲放电时的离子源发射面演变进行了分析。结果表明:对于短脉冲放电,发射面位置的变化相对等离子体密度的变化存在一定时间的延迟;对于长脉冲的上升沿和直流放电的开启阶段,鞘层厚度变化的速度与离子初始速度相关,稳定后发射面的位置与离子初始速度和等离子体密度的乘积相关。     

电子非广延分布的多离子磁化等离子体鞘层特性

等离子体磁化鞘层在半导体加工、材料表面改性、薄膜沉积等方面都发挥着重要作用.在等离子体实验和放电应用中,常存在由两种以上离子组成的多离子等离子体;对于长程相互作用的等离子体系统,非麦克斯韦分布的电子可通过Tsallis的非广延分布来描述.本文针对多离子等离子体鞘层建立一维空间坐标三维速度坐标的流体模型,假设鞘层中电子速度服从非广延分布,本底氦离子和不同种类的杂质离子在有一定倾斜角度的磁场中被磁化,通过数值模拟探究了非广延参量、杂质离子及斜磁场对多离子磁鞘中离子的数密度、速度、壁面电势和离子动能等物理量的影响.结果表明,在氦氢或氦氩混合等离子体鞘层中,随着非广延参量增大,离子沿垂直壁方向的速度减小,鞘层中离子、电子数密度均减小,鞘层厚度减小,壁面处离子动能减小;当杂质离子浓度增大时,壁面处离子动能与离子种类无关.随着磁场强度的增大,氦离子数密度和沿垂直壁方向的速度在鞘边出现起伏,且波动幅度随着非广延参量的减小而增大,而重离子则无明显的波动.此外,还分析了杂质离子种类和浓度对鞘层相关特性的影响.     

增强辉光放电等离子体离子注入的三维PIC／MC模拟

采用三维粒子模拟／蒙特卡洛模型自洽地模拟了增强辉光放电等离子体离子注入过程中离子产生和注入,获得了放电空间的离子总数、电势分布、等离子体密度分布和离子入射剂量等信息．模拟结果表明,5μs时鞘层达到稳定扩展,15μs时离子的产生与注入达到平衡,证实了增强辉光放电等离子体离子注入能在一定条件下实现白持的辉光放电．注入过程中,在点状阳极正下方存在一个高密度的等离子体区域,证实了电子聚焦效应．除靶台边缘外,离子的注入速率稳定且入射剂量均匀．脉冲负偏压提高时注入速率增加但入射剂量的均匀性变差．     

等离子体浸没离子注入非导电聚合物的适应性及栅网诱导效应的研究

本文建立了绝缘材料等离子体浸没离子注入过程的动力学Particle-in-cell(PIC)模型, 将二次电子发射系数直接与离子注入即时能量建立关联, 研究了非导电聚合物厚度、介电常数和二次电子发射系数对表面偏压电位的影响规律以及栅网诱导效应. 研究结果表明: 非导电聚合物较厚时, 表面自偏压难以实现全方位离子注入, 栅网诱导可以间接为非导电聚合物提供偏压, 并抑制二次电子发射, 为厚大非导电聚合物表面等离子体浸没离子注入提供了有效途径.     

Process and electrical (modulator) efficiency of plasma immersionion implantation

Plasma immersion ion implantation (PIII) has been shown to be an effective surface modification technique. In PIII processes, the implantation voltage has a large impact on the process and electrical (modulator) efficiency. For experiments in which the sample temperature is raised to a constant value by ion bombardment only - without external heating - our simulation studies reveal that the low-voltage mode featuring a higher ion current density gives rise to a higher electrical efficiency with regard to both single- and batch-processing. The low-voltage mode also produces a thinner plasma sheath and lower energy loss to the passive resistor. The hardware capacitance is responsible for the reduction in the electrical efficiency. For PIII experiments conducted under typical conditions, e.g., plasma density of 5.0×10 ⁹ cm^-3, implanted area of 0.08 m², and employing a 10 kΩ pull-down resistor for operations between 1 kV and 100 kV, the efficiency of the power modulator is quite low and generally less than 50% exclusive of the inefficiency stemming from secondary electrons. Our results demonstrate that the low-voltage, small pulse-duration operating mode has higher implantation efficiency compared to conventional high-voltage PIII. This can be attributed to the higher effective implantation efficiency η_e resulting from the smaller secondary electron coefficient at a lower voltage and higher electrical efficiency η_p, in the low-voltage, short-pulsewidth operating mode. Our work suggests that both the total implantation efficiency η_total and modification efficacy can be improved by elevated-temperature, high-frequency, low-voltage PIII     

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.     

Plasma-immersion ion implantation of the interior surface of asmall cylindrical bore using an auxiliary electrode for finite rise-timevoltage pulses

Plasma-immersion ion implantation (PIII) can be used to process the interior surfaces of odd-shape specimens such as a cylindrical bore. The temporal evolution of the plasma sheath in a small cylindrical bore in the presence of a grounded coaxial auxiliary electrode is derived for voltage pulses of different rise times by solving Poisson's equation and the equations of ion continuity, and motion numerically using the appropriate boundary conditions. It is found that the maximum ion impact energy and the average impact energy are improved for finite rise-time voltage pulses, and shorter rise times yield better results. Our results allow the selection of a suitable auxiliary electrode radius to improve the average impact energy for a given rise time     

Plasma immersion ion implantation with dielectric substrates

Plasma immersion ion implantation (PIII) is a novel implantation technique for high-dose/high-current implants. Using the SPICE circuit simulator to model the PIII process, the sheath voltage and ion energy distribution are examined. Implanting into a dielectric substrate results in a significant voltage buildup in the wafer, reducing the effective implant energy. Increasing the pulse voltage raises the dose/pulse, but at the cost of an expanded implant energy spread. Increasing the plasma ion density also raises the dose/pulse, but at the cost of a wider implant energy spread and a lower coupling efficiency. Increasing the substrate thickness reduces both the coupling efficiency and dose/pulse while broadening the energy spread. The large voltage generated across the dielectric substrate decreases the charge neutralization time significantly, reducing the possibility of gate oxide damage     

The response of a microwave multipolar bucket plasma to ahigh-voltage pulse with finite rise time

A collisional model that describes the response of a microwave multipolar bucket plasma to a high-voltage pulse with finite risetime has been developed for plasma immersion ion implantation (PIII). The agreement between this model and the measurements of the sheath position and target current in a 100 mtorr helium plasma is found to be much improved when the risetime of the pulse and the ion energy distribution during the PIII process is considered     

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