脉冲等离子体工艺中等离子体与表面相互作用数值研究

摘要

本文旨在以高功率调制脉冲磁控溅射(Modulated Pulsed Power Magnetron Sputtering，MPPMS)、等离子体基离子注入(Plasma-Based Ion Implantation，PBII)和等离子体基低能离子注入(Plasma-Based Low-Energy Ion Implantation，PBLEII)三种脉冲等离子体工艺为对象，建立模型并数值研究脉冲等离子体工艺中与表面相互作用的离子能量、通量和均匀性，推动相关工艺的数值研究进展、展示脉冲等离子体特性应用于表面改性工艺的优势。通过数值研究MPPMS工艺放电特性对离子沉积能量、PBII工艺脉冲鞘层动力学对离子注入电流密度和PBLEII工艺等离子体特性对离子注入电流均匀性的影响，理解脉冲等离子体工艺中等离子体与表面的相互作用，揭示工艺机理、优化工艺参数、拓展工业应用，并为其它脉冲等离子体表面改性工艺的数值研究起到示范作用。
　　MPPMS工艺具有高达90％以上的溅射粒子离化率，荷能离子沉积获得薄膜显微结构较常规磁控溅射工艺有明显改善。MPPMS工艺放电特性直接决定了离子沉积能量、从而决定了沉积薄膜的显微结构、择优取向和晶粒尺寸，是MPPMS工艺数值研究的关键问题。本文第二章建立了描述MPPMS放电的等离子体模型，模型基于离化区域粒子平衡和能量平衡并考虑了电子横越磁力线的扩散损失。模型计算获得了MPPMS脉冲放电等离子体参数随时间的变化，并实验研究了相应条件下沉积Cu薄膜的显微结构。结果表明，工作气压由0.1 Pa提高至0.7Pa，强离化阶段电子密度由8×1018 m-3增加至接近2×1019 m-3、电子温度由6～8 eV降低至4 eV左右、表征输入功率中用于有效加热电子并维持放电的有效功率传递系数由0.07～0.09降低至0.06左右。采用上述模型计算获得的等离子体参数评价离子沉积能量和基片温度，当工艺参数改变导致两者降低时，吸附原子在表面的扩散迁移能力减弱、基片上输入能量减小，导致实验观察到的沉积Cu薄膜由扩展结构区域示意图中晶粒尺寸分布较大的无孔隙致密结构Zone T向具有精细柱状晶和晶间孔隙的欠致密结构Zone1转变、晶间孔隙和表面粗糙度增加、晶粒尺寸减小。模型很好的解释了沉积薄膜显微结构的转变，意味着此模型已考虑了MPPMS放电主要的等离子体过程，有助于揭示MPPMS等离子体放电特性对离子沉积能量、从而对沉积薄膜显微结构的影响机制。
　　PBII工艺在浸没于等离子体中的样品上施加脉冲负偏压，可实现样品各表面同时注入改性，改性效率远高于常规离子束注入工艺。PBII工艺脉冲鞘层动力学直接决定了离子注入电流密度、从而决定了改性效率，是PBII工艺数值研究的关键问题。本文第三章采用离子连续性方程、离子运动方程和实验测量的等离子体扩散系数建立了磁化等离子体扩散流体模型，结合磁化鞘层碰撞流体模型，描述了PBII工艺中包括脉冲施加时间鞘层扩展和脉冲间歇时间等离子体回复的全脉冲周期等离子体动力学行为，模型准确性得到实验诊断结果的验证。典型PBII工艺参数下，考虑等离子体扩散，稳态鞘层宽度由0.05 m增加至0.06 m，相应离子注入电流密度由4.2 A/m2降低至2.8 A/m2。增强等离子体扩散的工艺参数改变会降低稳态鞘层宽度并提高离子注入电流密度，反之亦然。不同于单脉冲情况，多脉冲作用下脉冲频率由1 kHz提高至100 kHz，平均离子注入电流密度显著提高，影响改性效率的限制因素由占空比转变为等离子体扩散。改性效率随主等离子体密度线性提高、存在横向磁场时显著降低，其它工艺参数影响不显著。
　　PBLEII工艺采用高等离子体密度结合低脉冲负偏压，大幅减小了鞘层厚度，能够实现保形性的表面改性效果。PBLEII工艺等离子体特性直接决定了离子注入电流均匀性、从而决定了表面改性的保形性，是PBLEII工艺数值研究的关键问题。本文第四章理论并实验研究了PBLEII全工艺过程等离子体特性与保形性表面改性，揭示了PBLEII工艺机理并获得优化的工艺参数。采用等离子体整体模型模拟电子回旋共振(ElectronCyclotron Resonance，ECR)微波放电产生1011～1012/cm3高密度等离子体的物理过程，模型结果获得实验诊断验证。采用磁化等离子体扩散流体模型计算等离子体沿发散磁场扩散至处理腔室的输运过程，结果表明PBLEII工艺在样品表面产生均匀分布的等离子体，有利于获得均匀的改性效果。降低工作气压会减小等离子体与中性粒子的碰撞，提高样品表面等离子体密度。采用磁化鞘层碰撞流体模型计算脉冲施加时间鞘层保形性扩展和低能离子注入过程，工作气压5×10-2Pa、等离子体源密度由2×1011/cm3提高至5×1011/cm3,样品表面等离子体密度由1×1010/cm3提高至2.5×1010/cm3、鞘层厚度降低、注入电流密度和改性效率提高，注入均匀性得到改善。将获得的离子注入电流密度作为边界条件，采用非线性动力学离散模型描述奥氏体不锈钢中氮离子低能注入同步热扩散的输运过程，模型计算氮浓度深度分布与EPMA测量结果一致。计算了渗氮层厚度分布以评价表面改性的保形性，在工作气压5×10-2 Pa和微波吸收功率300 W的优化工艺参数下，能够实现PBLEII工艺保形性表面改性。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 脉冲等离子体工艺

1．1．1 高功率调制脉冲磁控溅射(MPPMS)

1．1．2 等离子体基离子注入(PBII)

1．1．3 等离子体基低能离子注入(PBLEII)

1．2 脉冲等离子体与表面的相互作用

1．2．1 脉冲等离子体工艺等离子体特性

1．2．2 脉冲放电调制等离子体与表面的相互作用

1．2．3 脉冲鞘层动力学

1．2．4 等离子体鞘层保形性

1．3 脉冲等离子体工艺数值研究现状及存在的不足

1．4 本文研究目的与研究内容

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

2 MPPMS工艺放电等离子体模型及其在沉积薄膜中的应用

2．1 MPPMS放电等离子体整体模型

2．1．1 离化区域电势降

2．1．2 离化区域粒子平衡与能量平衡

2．1．3 模型拟合过程与敏感性分析

2．2 MPPMS放电沉积Cu薄膜模型与实验结果

2．2．1 MPPMS等离子体放电特性

2．2．2 MPPMS放电沉积Cu薄膜的显微结构

2．3 讨论

2．3．1 脉冲放电沉积薄膜等离子体参数评价方法

2．3．2 沉积薄膜显微结构控制

2．3．3 脉冲放电相比连续放电的优势

2．4 本章小结

3 PBII工艺脉冲鞘层动力学与改性效率

3．1 PBII全脉冲周期等离子体流体模型

3．1．1 一维磁化等离子体扩散流体模型

3．1．2 一维磁化鞘层碰撞流体模型

3．2 PBII工艺等离子体流体模型结果

3．2．1 单脉冲周期鞘层扩展和等离子体回复

3．2．2 考虑非均匀等离子体扩散的鞘层演化

3．3 讨论

3．3．1 多脉冲鞘层动力学与多脉冲平衡状态

3．3．2 脉冲注入相比连续注入的改性效率优势

3．4 本章小结

4 PBLEII全工艺过程等离子体特性与保形性表面改性

4．1 电子回旋共振(ECR)微波等离子体源放电特性

4．1．1 ECR微波放电等离子体整体模型

4．1．2 模型结果与实验诊断的比较

4．2 处理腔室中等离子体的扩散输运

4．2．1 二维磁化等离子体扩散流体模型

4．2．2 等离子体扩散分布模型结果

4．3 脉冲施加时间鞘层动力学与低能离子注入

4．3．1 二维磁化鞘层碰撞流体模型

4．3．2 鞘层扩展与低能离子注入模型结果

4．4 讨论

4．4．1 PBLEII工艺保形性表面改性

4．4．2 PBLEII相对PBII的优势与区别

4．4．3 脉冲注入相比连续注入的保形性优势

4．5 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致谢

作者简介