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     

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.     

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     

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。     

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.     

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     

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.     

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。     

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．     

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.     

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     

两种带电尘埃颗粒的等离子体鞘层玻姆判据

采用流体方程和尘埃充电自洽模型研究了鞘边含有两种尘埃颗粒的等离子体玻姆判据. 通过拟牛顿法数值模拟了鞘边两种尘埃颗粒的存在对尘埃自身充电以及离子马赫数的影响. 两种尘埃颗粒中含量较少的尘埃颗粒数密度的增加, 导致两种尘埃颗粒表面悬浮势一个降低, 一个升高. 含量较少的尘埃颗粒的数密度越多和半径越小, 都会导致离子马赫数增大. 另外鞘边无论何种尘埃颗粒的速度增加, 鞘边离子马赫数都将减小. 关键词： 等离子体鞘层 尘埃颗粒 玻姆判据     

Influence of dielectric materials on uniformity of large-area capacitively coupled plasmas for N_2/Ar discharges

The effect of the dielectric ring on the plasma radial uniformity is numerically investigated in the practical 450-mm capacitively coupled plasma reactor by a two-dimensional self-consistent fluid model. The simulations were performed for N2/Ar discharges at the pressure of 300 Pa, and the frequency of 13.56 MHz. In the practical plasma treatment process,the wafer is always surrounded by a dielectric ring, which is less studied. In this paper, the plasma characteristics are systematically investigated by changing the properties of the dielectric ring, i.e., the relative permittivity, the thickness and the length. The results indicate that the plasma parameters strongly depend on the properties of the dielectric ring. As the ratio of the thickness to the relative permittivity of the dielectric ring increases, the electric field at the wafer edge becomes weaker due to the stronger surface charging effect. This gives rise to the lower N_2~+ ion density, flux and N atom density at the wafer edge. Thus the homogeneous plasma density is obtained by selecting optimal dielectric ring relative permittivity and thickness. In addition, we also find that the length of the dielectric ring should be as short as possible to avoid the discontinuity of the dielectric materials, and thus obtain the large area uniform plasma.     

天器背面接地介质材料等离子体充电研究

处于等离子体环境中的航天器的介质材料受到带电粒子的作用,表面将产生电位。对背面接地的介质材料,上表面将与接地背面形成电势差。当电势差达到一定阈值时将产生放电,表面充电电位对充放电效应影响至关重要。综合考虑等离子体中粒子的质量、温度及密度,介质材料的二次电子效应,体电流泄漏以及介质材料的运行速度等因素,基于气体动理论,利用粒子的麦克斯韦速度分布函数理论推导得出等离子体环境中背面接地介质材料表面充电电位一般表达式。讨论了地球同步轨道环境下,表面电位与等离子体环境及材料表面电阻等各个参数的关系,总结出等离子环境背面接地介质材料表面充电规律,为航天器介质材料静电防护设计提供一定的理论基础。     

尘埃等离子体鞘层的玻姆判据

采用流体方程和自洽电荷变化模型研究了尘埃等离子体鞘层的玻姆判据. 讨论了离子临界马赫数和尘埃粒子临界马赫数随尘埃密度变化的关系, 以及尘埃表面势随尘埃密度变化的趋势. 由于鞘边尘埃粒子的存在, 离子必需以大于声速的速度进入鞘层; 随尘埃密度的持续增加, 离子的临界马赫数增加到一个最大值后开始逐渐减小. 数值计算得到的结果满足Sagdeev势的定性分析. 关键词： 等离子体 鞘层 玻姆判据