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等离子体源离子注入过程中离子动力学演化数值模拟

作　者: 吴雪飞
导　师: 刘成森
学　校: 辽宁师范大学
专　业: 原子与分子物理
关键词: 等离子体源离子注入 Monte Carlo模拟两维PIC模型等离子体鞘层
分类号: O539
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 22次
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内容摘要

等离子体源离子注入(Plasma Source Ion Implantation,简称PSII)是一项非视线性低温等离子体材料表面的改进新技术。这项技术一经提出,就引起了国际上的普遍关注。在这项技术的实际应用过程中,等离子体鞘层的时空演化过程以及真空中气压参数的影响对等离子体与材料表面的相互作用有着非常重要的意义。本文首先利用两维PIC(particle in cell)模型,通过鞘层中电势分布的泊松方程,考察了等离子鞘层中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和工件表面各点注入离子的入射角分布。结果表明:由于电场的聚焦效应,容器内表面的离子注入剂量总是低于外表面的离子注入剂量,内表面的离子注入剂量随着鞘层演化增加缓慢,内、外表面注入剂量差异随时间逐渐增大,这样就导致了离子注入剂量非常不均匀。本文再次利用Monte Carlo计算机模拟技术,考察了有共心附加零电位电极时半圆容器内底中央部位A_r~+注入能量和角度分布及真空气体压强的影响。在考虑到离子在穿越鞘层的过程中会与中性粒子发生碰撞(电荷交换碰撞和弹性碰撞)通过在不同半径的鞘层边界上随机抽取与半径成正比的离子数量,计算了注入到工件内表面上的所有离子的注入能量和入射角度的分布。随着中性气体压强的增加,离子在穿越鞘层的过程中与中性粒子经历比较频繁的碰撞。碰撞一方面使离子失去能量,另一方面也使离子改变运动方向,导致注入到工件表面低能离子和小角度入射的离子增多。综上所述,在等离子体源离子注入过程中,半圆形容器由于表面形状弯曲,在附加脉冲电压的影响下,电场会出现聚焦效应,导致了等离子体鞘层形状的变化,鞘层的扩展速度也受到了影响。基于上述原因,离子注入到半圆形容器的表面上时,离子注入剂量出现不均匀的现象。这为优化等离子体源离子注入技术提供了理论支持。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章引言  7-15
  1.1 等离子体基本理论概述  7-10
  1.2 离子注入技术  10-13
    1.2.1 一般束线离子注入  11
    1.2.2 等离子体源离子注入技术简介  11-13
  1.3 等离子体源离子注入技术的发展  13-14
  1.4 本文工作简介  14-15
第二章等离子体源离子注入过程中鞘层演化的研究方法  15-21
  2.1 PSII鞘层时空演化的物理描述  15
  2.2 等离子体源离子注入过程中鞘层演化的研究方法  15-18
    2.2.1 解析法  15-16
    2.2.2 流体动力学法  16-17
    2.2.3 Monte Carlo方法  17
    2.2.4 PIC方法  17-18
  2.3 PSII过程中流体动力学计算方法  18-21
第三章等离子体源离子注入半圆形容器过程中离子动力学数值模拟  21-31
  3.1 模型过程简介  21
  3.2 模型模拟过程  21-23
  3.3 PIC计算机模拟结果  23-29
  3.4 小结  29-31
第四章等离子体源离子注入半圆形容器离子能量和角度分布  31-39
  4.1 模型的建立和假设  31-32
  4.2 Monte Carlo计算机模拟  32-35
    4.2.1 电场的分布  32
    4.2.2 计算机模拟过程  32-35
  4.3 Monte Carlo计算机模拟结果  35-37
  4.4 小结  37-39
第五章结论  39-40
参考文献  40-45
致谢  45-46

等离子体源离子注入过程中离子动力学演化数值模拟

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