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等离子体浸没离子注入空心圆柱形介质管内表面鞘层特性的数值研究

田立成  
【摘要】: 等离子体浸没离子注入(plasma immersion ion implantation,简称PⅢ)是一种新的离子注入工艺,具有成本低、操作简单、可以处理复杂形状样品等优点,在近年来受到了很多材料工程师和科研学者的青睐,并得到广泛的工业应用,比如材料表面改性、计算机芯片制造流程中的元素掺杂、绝缘体上的硅等。在实际应用中,空心圆柱形介质管内表面的离子注入问题比较复杂,一方面由于介质材料的导电性差导致电荷在表面积累而出现充电效应;另一方面由于放置在等离子体中的空心圆管相对表面的鞘层会随着时间的演化出现重叠,从而导致较低的离子注入剂量和注入能量。为解决上述问题,有必要从理论上深入研究空心圆柱形介质管PⅢ过程中鞘层的演化特性。因为在材料表面形成的鞘层的特性直接影响被加工材料的性能。并且,理论研究的结果可以揭示离子注入过程的物理机理,为实际离子注入工艺的优化提供一定的参考。 本文主要采用流体动力学方法,对空心圆柱形介质管的内表面PⅢ过程中鞘层扩展规律进行了数值模拟研究,分析讨论了各种参数对鞘层演化过程的影响。 首先,采用一维无碰撞流体动力学方法对圆柱形介质管内表面的PⅢ鞘层演化进行了数值模拟,得到了鞘层演化的规律,并且进一步讨论了各参数对注入效果的影响。结果表明,等离子体浸没离子注入圆柱形介质管内表面过程中,在脉冲持续时间内鞘层向中心电极方向扩展,在脉冲下降沿鞘层塌缩下来。在相同的参数条件下,与金属靶相比,介质靶表面附近的鞘层厚度变薄;在介质表面存在电荷积累引起的充电效应,这降低了介质表面电势和离子注入能量;各种参数对离子注入产生了一定影响,在实际注入工艺中,为了减小充电效应的影响,应尽量采用较薄的介质薄膜,同时适当延长脉冲上升时间和缩短脉冲下降时间。 其次,本文采用双离子流体模型分析讨论了不同离子成分比对薄膜介质靶材鞘层演化的影响。结果显示,随着N+离子成分的增加,充电效应会越发明显。在实际的离子注入工艺中,为了抑制充电效应和增加离子注入剂量,应尽可能提高N2+离子的成分。 最后,我们研究了施加轴向强磁场时圆柱形介质管内表面PⅢ鞘层时空演化规律,并揭示了轴向磁场的引入对鞘层演化特性的影响。结果表明,轴向磁场的引入,不会改变离子能量,但是会使径向离子能量和角向离子能量发生相互转移。轴向磁场的引入产生了角向离子速度,同时轴向磁场越强,径向离子能量分布高能峰越向低能量区移动。


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