戴忠玲[1]2004年在《射频及脉冲偏压等离子体鞘层流体动力学模拟》文中认为针对导体基板,本文建立了自洽的射频偏压等离子体鞘层流体动力学模型,研究了等离子体参数对无碰撞射频偏压等离子体鞘层物理特性和轰击到基板上离子能量分布的影响。模型包括描述离子运动的含时间相关项的连续性方程、动量方程和决定鞘层内电势时空分布的泊松方程以及可以自洽地决定基板电位和鞘层厚度关系的电流平衡方程,是一套非线性方程组。采用四阶龙格-库塔法求解电流平衡方程,采用叁对角矩阵的“追赶法”来求解泊松方程,采用有限差分法求解离子的流体动力学方程。实现了较宽射频频率和等离子体参数范围的射频偏压等离子体鞘层时空演化特性的模拟。我们发现外加射频频率ω与离子等离子体频率ω_(pi)的比值β,即β=ω/ω_(pi),是决定射频偏压等离子体鞘层物理特性以及离子能量分布的一个关键物理量,发现在低射频频率条件下(β<<1),离子流呈明显的周期性振荡,并且射频频率越低,离子流振荡的幅值越大;在高射频频率条件下(β>>1)离子流几乎不随时间变化,此时离子流与时间无关的假定是合理的;模拟结果还表明基板电压和鞘层厚度随时间呈周期性变化;并且发现基板电压并不像许多研究者所假定的那样,呈正弦规律变化,而是随时间呈非正弦规律变化;鞘层内电势、电场、离子密度和电子密度皆随时间呈周期性变化,且在靠近基板处,它们的空间梯度较大;得到了具有双峰结构的离子能量分布,发现等离子体参数如射频频率ω与离子等离子体频率ω_(pi)的比值β和功率对离子能量分布有很大影响;离子能量分布的模拟结果和他人的实验结果符合得很好。 针对含多种离子成分的等离子体,本文建立了自洽的射频偏压等离子体鞘层流体动力学模型,研究了含多种离子成分的无碰撞射频偏压等离子体鞘层物理特性以及等离子体参数对轰击到基板上的离子能量分布的影响。发现在低频情况下,离子能量分布的高能峰和低能峰都有峰裂现象产生,而在高频条件下,能峰分裂变得不明显;随着射频功率的增加、离子密度的减小和电子温度的减小,都会使高能峰的位置向高能量方向移动,峰裂的现象也变得明显。 针对绝缘基板,本文建立了自洽的射频和脉冲偏压等离子体鞘层流体动力学模型,研究了脉冲偏压等离子体鞘层物理特性以及脉冲偏压频摘要率、占空比和幅值对绝缘基板表面充电效应和轰击到绝缘基板上离子能量分布的影响,并将基于绝缘基板的射频和脉冲偏压等离子体鞘层物理特性以及绝缘基板表面充电效应进行了比较。模型包括离子连续性方程、动量方程和泊松方程,特别是提出了可以自洽地决定绝缘基板表面电势、表面电荷密度和鞘层厚度关系的等效电路方程。模拟结果表明,在脉冲偏压处于“断”的状态时,鞘层内电子会到达绝缘基板,有助于减小绝缘基板表面的充电效应;结果还表明,在基板上所加脉冲频率对绝缘基板上的表面电势随时间的变化规律影响很大,只有在较高脉冲频率条件下,表面电势才趋近于理想方波;发现轰击到绝缘基板上的离子能量分布同射频偏压下的离子能量分布一样,具有双峰结构,所不同的是脉冲偏压下的离子能量分布不像射频偏压下的离子能量分布那样,能量分布是连续的,脉冲偏压下的离子能量分布近似为断续的,因而可以得到较为均匀的离子能量;发现脉冲偏压的频率、占空比和幅值是决定离子能量分布和绝缘基板表面充电效应的重要参数;发现脉冲偏压下表面充电效应要比射频偏压下的小。 针对高放电气压等离子体,本文采用将自洽的考虑鞘层内碰撞效应的射频偏压等离子体鞘层流体动力学模型和蒙特卡罗(Mente一Carlo)方法相结合的混合模型,研究了碰撞效应对射频偏压等离子体鞘层物理特性以及离子能量分布和角度分布的影响规律,其中在流体动力学模型中,将鞘层和预鞘区域作为整体来考虑,避免了碰撞鞘层边界条件选取的不确定性,解决了解的奇异性和物理量在预鞘和鞘层边界处不连续的问题。在蒙特卡罗方法中,采用由自洽的流体动力学鞘层模型所得到的自洽的射频鞘层瞬时电场,而不是像许多研究者那样采用简化的半经验电场或者采用实验数据作为输入参数。关键词:等离子体;射频及脉冲偏压鞘层;流体动力学模型:碰撞效应; 蒙特卡罗模拟
刘磊[2]2006年在《PBAIP等离子体鞘层物理特性的应用研究》文中指出脉冲偏压电弧离子镀(Pulsed Bias Arc Ion Plating,PBAIP)是近十几年来发展起来的一种新兴薄膜沉积技术,与传统的电弧离子镀技术相比,它具有沉积温度低、残余应力小、晶粒细化及颗粒净化等优点,为沉积性能优异的多层薄膜提供了条件。但是脉冲偏压等离子体鞘层理论方面的计算研究进展不足于达到指导实验的程度,尚未形成理论应用于实验并从实验的信息反馈中完善自己的益性研究循环。 本文在对脉冲偏压等离子体鞘层特性进行理论计算研究后,为了验证其对实验有指导意义,设计了两组实验,并对实验结果进行相关的分析与检测。 首先,针对绝缘基板,本文建立了自洽的射频和脉冲等离子体鞘层流体动力学模型,研究了脉冲偏压等离子体鞘层物理特性以及脉冲偏压频率、占空比和幅值对绝缘基板表面充电效应和轰击到绝缘基板上离子能量分布的影响。模型包括离子连续性方程、动量方程和泊松方程,特别是提出了可以自洽地决定绝缘基板表面电势、表面电荷密度和鞘层厚度关系的等效电路方程。模拟结果表明,轰击到绝缘基板上的离子能量分布具有双峰结构,脉冲偏压下的离子能量分布近似为断续的,因而可以得到较为均匀的离子能量。 然后,设计并参与完成两组实验: (1) 在高速钢上沉积(TiNb)N薄膜; (2) 分别在取向为(100)的单晶Si片上和316L不锈钢上沉积TiO_2薄膜。 利用X射线衍射(XRD)对薄膜的相组成进行了分析,运用扫描电子显微镜(SEM)对薄膜的表面形貌进行了观察,考察了不同脉冲偏压对薄膜组织和微观结构的影响。 最后,得到以下结论: 脉冲偏压的增大使进入脉冲偏压鞘层内的离子获得更高的能量,克服了化合物生成所需要克服的能量势垒,生成了不同的薄膜组织结构。从某种角度上证明了我们理论计算对实验的指导意义。
吕少波, 李明, 姚红冉, 蔺增, 巴德纯[3]2007年在《射频偏压等离子体鞘层流体动力学模拟》文中研究说明基于本中心RF500型镀膜机,采用流体动力学方法建立了一种自洽的无碰撞射频直流偏压等离子体鞘层动力学模型。模型中考虑了极板直流负偏压对离子运动的影响,这使得该模型能够在不同偏压条件下模拟射频鞘层内各参量的时空演化。另外,与其他一些研究者所采取的假设不同,在该模型中,认为鞘层厚度是与时间有关的函数,采用等效电路模型建立了鞘层瞬时厚度与鞘层电位降的关系。模拟结果表明,极板上电势的变化并不像其他一些研究中所采用的正弦变化,而是呈非正弦周期性变化;鞘层厚度变化与极板电势变化周期相同, 趋势相反。
王懿翎[4]2007年在《射频电容耦合等离子体的流体动力学/Monte-Carlo混合模型数值模拟》文中提出针对导体极板，本文以氩气为研究对象，建立了一个自洽的等离子体流体动力学模型，研究了射频电容耦合等离子体的输运特性。该物理模型包括电子和离子的连续性方程、电子的能量方程以及泊松方程。通过求得的自洽电场，应用蒙特卡罗(Monte-Carlo)方法，模拟了碰撞效应下轰击到极板上离子的能量分布和角度分布。在一维情形下，给出了电子密度和离子密度时空分布、电场时空分布、电势时空分布、电子流和离子流的时空分布。在二维情形下，给出了电子密度和离子密度空间分布、电场空间分布、电势空间分布、电子流和离子流的空间分布。比较发现，二维情形下离子密度的空间分布不再呈对称分布。在进一步研究中，在考虑碰撞效应情况下，比较了不同初始条件对极板上离子能量分布和角度分布的影响。随着气压的增大，能峰变低能量变小而角度分布变大。而随着驱动电压的变大，能峰变低能量变大而角度分布变小。对于二维模型，同时记录了极板不同位置的离子轰击数，发现由于径向电场的存在，对离子的运动方向产生径向的偏移。与一维情形不同的是，能量分布在高能峰的右边出现第叁峰，整体呈叁峰分布，并且随着位置离中心轴越远第叁峰越明显；极板上的离子角度分布随着位置离中心轴越远而增大，对应于能量分布的第叁峰，角度分布也出现了一个小的波峰，依然是随着位置离中心轴越远，波峰效果越明显。
王丽红[5]2006年在《双频容性耦合等离子体鞘层中带电粒子输运的流体力学模拟》文中认为在电容耦合式放电等离子体刻蚀工艺中,通常在放有基体的极板上施加以13.56兆赫兹的射频偏压,但这种单一频率的放电方法不能解决提高等离子体密度和控制刻蚀速率、刻蚀剖面之间的矛盾,因此近年来在极板上同时施加高频和低频两个射频偏压的双频电容耦合式放电的刻蚀工艺越来越受到关注。与单频电容耦合放电相比,在双频电容耦合放电等离子体中的离子和电子受到的是两个不同频率的射频偏压的调制,从而使等离子体表现出更为复杂的运动行为。实验已经证实通过选择适当的频率比可以更精确的控制离子密度和轰击到基板上的离子能量并且使可调控的离子能量范围更大。但是,目前关于双频电容耦合放电等离子体鞘层物理特性特别是两个频率的射频偏压同时加在一个极板上情况下的等离子体鞘层物理特性还少有研究。 本文针对双频电容耦合放电等离子体鞘层建立了自洽的流体力学模型,由于模型包含了所有时间相关项,因而适用于描述较宽频率段的鞘层演化行为;此外采用等效回路方法自洽地确定极板上的电位波形和双频偏压的瞬时关系。 本文分别针对金属和绝缘基片研究了双频条件下的等离子鞘层特性和参数如鞘层内的电势和电场的时空分布,以及射频偏压的频率和功率对极板电压、鞘层厚度和轰击到基板上的离子能量分布的影响,模拟结果表明:无论是金属还是绝缘基片,低频偏压的频率和功率是决定等离子体行为的关键物理量;绝缘膜的厚度会对基片表面电势产生明显影响;双频条件下轰击到极板上的离子能量分布具有多峰结构。
丁可[6]2006年在《等离子体应用技术的数值模拟研究》文中研究表明低温等离子体技术已经在微电子、材料、化工、机械及环保等许多科学领域里得到了广泛地应用。随着人们对低温等离子体发生的物理过程，以及对等离子体与材料表面相互作用机理等各方面的不断研究和探讨，低温等离子体技术得到了迅速地发展和更广泛的应用。等离子体的粒子模拟方法，可以利用计算机模拟大量的带电粒子的微观运动，再对这些微观粒子进行统计平均得到宏观的特性和运动规律。等离子体的粒子模拟方法是考虑等离子体的带电粒子运动最齐全，最能够反映实际等离子体运动的方法。在某种程度上，等离子体的粒子模拟方法可以取代实验的研究方法。因此，等离子体的粒子模拟方法现在已经成为研究等离子体物理的强有力工具。本论文采用等离子体的粒子模拟方法对以下几种等离子体应用技术进行了数值模拟研究：(1)等离子体显示屏放电单元的数值模拟研究：在等离子体显示屏中，放电单元是基本的结构要素，近年来出现了一些新的放电单元结构。比如说WAFFLE型放电单元，它可以把整个等离子体显示屏分成无数的独立的封闭式放电空间。有实验证明WAFFLE型放电单元能够提高放电的发光效率，还能够防止邻近的放电单元的发光混淆。本论文第一部分内容针对WAFFLE型放电单元的新型结构，首次采用二维粒子模拟的方法结合蒙特卡洛碰撞模型对这种封闭型放电单元内的放电过程进行模拟研究，得到了空间电势分布、带电粒子密度的分布和离子入射能量、入射角度分布等参数。模拟结果表明：放电单元采用WAFFLE型介质材料障壁，不会影响整个放电单元内的气体放电性能；相反WAFFLE型介质障壁在某种程度上可以减少介质层被带有能量的离子撞击的机会，从而延长了介质层和整个放电单元的寿命，在整体上看也能提高一定的等离子体显示屏的寿命。本论文还针对等离子体显示屏放电单元在放电过程中出现的条纹现象进行了模拟研究，首次在蒙特卡洛碰撞模型结合二维粒子模拟的方法中考虑到了左右侧介质障壁的厚度对条纹现象的影响，在优化了相关的模拟参数后，模拟出了放电过程中极其清晰的等离子体密度的条纹现象。模拟结果表明：等离子体的条纹现象只发生在阳极区域附近，WAFFLE型障壁可以减弱放电单元内的条纹现象。条纹现象的形成是由阳极表面附近的空间电势分布和表面电荷分布共同作用产生的，特别是表面的电子电荷分布对条纹现象的影响很大。放电空间内空间电势的变化直接影响了带电粒子的分布，正是电势分布的波动使得带电粒子的密度分布也出现了波动。(2)射频(RF)驱动的电容耦合放电等离子体(CCPs)的数值模拟研究：射频电容耦合放电等离子体在等离子体薄膜沉积、等离子体刻蚀、等离子体清洁等方面有广泛的应用，特别是在微电子行业、半导体产业，电容耦合放电更是大规模的被运用到超细刻蚀方面。在通常的单频射频电容耦合放电中，还不能很好的控制放电过程中的等离子体密度和离子能量，放电效率也得不到提高。现在研究比较多的双频电容耦合放电，在放电中使用两种不同频率的工作电源，可以更好的控制放电中电子和离子的能量分布，得到相对较高的等离子体密度。本论文采用一维粒子模拟结合蒙特卡洛碰撞模型的方法，模拟计算了单频和双频电容耦合放电空间内的等离子体密度，离子能量分布等影响放电性能的参量。模拟表明，在双频电容耦合放电中，随着低频射频电源的电压的加大，等离子体的平均密度会下降，等离子体鞘层的宽度会增加，而且离子能量的分布范围也扩大了。随着高频射频电源的电压增大，电容耦合放电空间中的等离子体平均密度上升了；而等离子体鞘层的厚度随着高频电压的升高有所减少。综合比较可知，在双频电容耦合放电中，高频电源可以用来控制放电过程中的等离子体密度，而低频电源可以用来控制放电过程中的等离子体鞘层的宽度和离子能量的分布。(3)等离子体浸没离子注入技术(PⅢ)的数值模拟研究：等离子体浸没离子注入技术是一种新型的表面改性技术，被广泛应用在许多材料的表面改性上。在材料的表面处理改性过程中，一般对改性层中离子的剂量分布均匀性都有较高的要求。因此，对PⅢ待处理的工件进行预测性剂量分析具有十分重要的实用意义。本论文采用二维粒子模拟方法对等离子体离子浸没注入技术进行了模拟研究，在一个完整脉冲时段内，等离子体离子浸没注入平板靶的模拟过程表明：等离子体鞘层的扩展先快后慢，鞘层形状由椭圆柱形向圆柱形演化；注入离子剂量在靶表面的分布是非均匀的；存靶的不同位置注入的离子在改性层中的浓度深度分布有显着差别。(4)等离子体磁控溅射成膜技术的数值模拟研究：磁控溅射成膜是微电子工业上生成薄膜的主要方法之一，现在微电子行业的增长速度非常快，薄膜制成过程也成为了许多研究者关注的焦点。磁控溅射的计算模拟工作可以优化现实的磁控溅射成膜技术的系列参数。本论文利用二维PIC-MCC模拟模型对磁控溅射等离子体的发生过程进行模拟计算，再通过MC模拟方法模拟薄膜的宏观沉积过程。磁控溅射放电过程的模拟结果表明：带电粒子的密度分布，和磁场的分布有着很紧密的关系；溅射Ar离子的能量分布和溅射角度分布同样和磁场的分布有关系；靶体材料表面的离子流密度分布出现了两个高峰。磁控溅射沉积成膜的宏观模拟结果表明：离子流密度的分布直接影响到了离子撞击到靶体的溅射产额，Ar溅射离子入射到靶体表面引起溅射产额分布曲线中也出现了两个高峰，位置和溅射离子流密度分布曲线中的两个高峰位置相对应；薄膜沉积的均匀性和背景气体气压、靶体-基底间距有很大关系，当背景气体的压强增加时，在基底上溅射沉积的薄膜的沉积速率会下降，沉积均匀度就相对较好，而当靶体-基底间距减小时，在基底上溅射沉积的薄膜的均匀性会变差。
刘成森[7]2005年在《等离子体源离子注入及辉光放电过程中脉冲鞘层动力学研究》文中研究指明在等离子体材料表面加工技术应用中,等离子体鞘层的时空演化过程对等离子体与材料表面相互作用有着非常重要的意义。针对等离子体源离子注入(PSII)过程中的直流脉冲(DC)鞘层,本文建立了两维自洽流体动力学模型,模型包括描述离子的连续性方程、动量方程、电子Boltzmann分布,以及描述鞘层中电势分布的泊松方程。利用这一模型研究了等离子体鞘层中各种物理量的时空演化规律,这些物理量包括电势和电场分布、离子密度分布、离子速度分布、样品表面离子束流分布以及离子注入剂量分布。为低气压辉光放电过程建立了漂移扩散流体动力学模型,研究了在连续的直流脉冲偏压作用下,在氮气中实现气体辉光放电的演化过程,包括电子与中性气体粒子碰撞电离产生等离子体,以及等离子体中的离子在电场的作用下获得能量轰击作为阴极的工件表面的物理机理。利用两维无碰撞自洽流体动力学模型,考察了在无附加电极和在中心轴线放置零电位圆柱状附加电极两种情况下,空心圆管端点附近脉冲偏压等离子体鞘层的演化过程。得到了各自情况下鞘层中电场的分布、离子密度分布、鞘层中离子的动力学行为、沿空心圆管内表面、端点表面和外表面的离子束流分布和离子注入剂量分布以及这些分布的均匀性状况。结果显示,由于电场分布的弯曲导致离子运动的聚焦效应使得离子束流和离子注入剂量在空心圆管端点附近的表面上分布非常不均匀。在圆管内部的等离子体鞘层演化规律与一维动力学模型已经揭示的规律是一致的,这也是我们提出的两维模型合理性的一个证明。利用Monte Carlo方法模拟离子在有附加零电位电极的空心圆管内鞘层中行进时的运动轨迹,考察了离子在等离子体鞘层中与中性气体粒子碰撞对离子注入能量和注入角度的影响。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,计算了空心圆管中的所有离子注入圆管内表面的能量分布和角度分布。在模型中,通过考虑两种主要碰撞过程:电荷交换碰撞和弹性碰撞,对不同工作气压下的离子注入进行了考察。随着中性气体压力的增加,气体密度增大,离子平均自由程变短,在穿越鞘层的过程中等离子体源离子注入及辉光放电过程中脉冲鞘层动力学研究与中性粒子经历比较频繁的碰撞。这些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,导致注入的低能离子和不垂直于表面入射的离子增多。 针对半圆形容器,考察了在无附加电极和在中心点放置零电位球形附加电极两种情况下的脉冲偏压等离子体鞘层的演化过程,并为这一工件建立了两维热传导模型。将无附加电极情况得到的离子束流作为能量输入,研究束流中的离子携带能量沉积在工件表面后引起的工件温度升高。模拟结果显示,容器边缘附近温度总是高于容器底部温度。在一定脉冲频率电压作用下,脉冲宽度增加,温度分布达到稳定状态所用的时间逐渐增加,但达到某一值后,将不再受脉冲宽度增加的影响。在一定脉冲宽度电压作用下,随着脉冲频率的增加,工件平均温度在增加到某一值后,将不再受脉冲频率增加的影响。 针对直流脉冲辉光放电过程,提出了一个能够自洽地描述其放电的等离子体流体模型,反映在连续的不断的脉冲电压作用下,从脉冲施加到阴极上开始一直持续到气体实现稳定放电的过程中,这个过程包含了脉冲开启和脉冲关断交替进行的连续作用过程。考察了这一过程中的离子密度、电子密度和电场分布的时空演化规律,模拟结果显示,放电行为强烈依赖所施加在阴极上的脉冲电压幅值,高的电压将产生大的放电电流并且缩短放电延迟时间。模拟中得到的电压-电流关系与实验数据相吻合。关键词:等离子体源离子注入,流体动力学模型,咖nt e Carl。模拟,热传导过程,直流脉冲辉光放电
刘梁[8]2015年在《基于Monte Carlo方法的RIE工艺模拟》文中研究说明反应离子刻蚀(RIE)工艺,是MEMS加工工艺中使用最广泛的技术手段之一。RIE的计算机模拟可以帮助工艺设计者通过改变模拟条件,如射频功率、气体压力、刻蚀温度,得到不同的模拟结果,以此来选择最佳工艺条件。这对于降低MEMS器件设计与研制成本,缩短研发周期,有着非常重要的意义。本文利用流体力学模型及鞘层等效电路模型确定出RF鞘层的特性,包括鞘层的电压及电场的时空分布等。以Monte Carlo方法为基本模拟手段,研究了离子与中性粒子在RF鞘层中的运动过程,得到了到达刻蚀材料表面并对刻蚀有效的粒子流量分布。利用刻蚀速度的计算公式,根据粒子流量分布得到刻蚀材料表面某点处某时刻的局部刻蚀速率。最后通过水平集函数描述刻蚀剖面的初始形貌,通过刻蚀材料表面的速度场,求解Hamilton-Jacobi方程得到刻蚀轮廓的演化过程。通过改变不同的刻蚀条件,得到了刻蚀轮廓随时间的变化图以及不同射频功率下、不同气体下、不同温度下、改变反应气体后的刻蚀模拟轮廓。模拟结果表明：在200W～400W范围内,射频功率的增加,可加快刻蚀速率,进一步增加功率,刻蚀速率反而下降；随着压力的增加,刻蚀速率不断增加,并在15Pa左右达到最大值,随后刻蚀速率不断减小；刻蚀速率与温度成正比。最后将在一定工艺条件下反应粒子刻蚀的模拟结果与实验结果进行了对比,两者吻合的较好。本文的研究表明,水平集算法是一种适合模拟等离子体刻蚀轮廓演化的高效算法,它能够有效地描述等离子体刻蚀仿真过程中出现的各种复杂轮廓,可以很好地满足等离子体刻蚀工艺过程中复杂形貌演化的模拟需求。虽然本文没有将其扩展到叁维,但本论文将等离子体刻蚀的微观物理过程引入到了水平集方法中,为将来解决叁维等离子体刻蚀过程仿真计算量大的问题提供了一种新的技术思路。
韦映竹[9]2017年在《强电磁波激发等离子体中外加偏压的影响研究》文中研究指明在近年来,人们在工业生产的等离子体辅助工艺中,在极板上外加偏压得到了广泛地应用。以此可以获取更高的离子轰击能量,并且可以用此方法来实现独立控制离子能量和等离子体密度,所以等离子体放电中的外加偏压受到了广泛地关注。为了更全面及深入地对强电磁场下的等离子体特性受外加偏压有何影响作出研究,本文通过COMSOL软件来仿真以及采用朗缪尔探针诊断技术进行实验对放电进行了定点以及轴向的测量,并对比了仿真与实验的结果。在直流放电中,考察了在不同的放电气压,放电电压以及偏压大小,对等离子体的参数的影响。而在射频感应耦合等离子体放电中,考察了在不同天线功率,不同气压,不同外加偏压下,定点与轴向的等离子体参数的变化。尽管实验与仿真有少部分出入,但是对于等离子体辅助工艺中的研究意义还是重大的。在本文中,对直流放电的特性综合仿真与实验得出:(1)在80Pa之前,光子数与电子密度也随着气压的升高而升高,而气压大于80Pa之后,光子数与电子密度随着气压的升高而减小。(2)放电电压越大,电子密度越高,电子温度越大,这是偏压对电子有加速作用的原因。(3)轴向测量中等离子体的电子密度分布,从偏压极板到接地极板之间是先升高后减小,峰值靠近阴极附近。(4)外加偏压提高了等离子体密度的均匀性和放电范围,因为偏压增加并且拉高了直流放电中的电子。对射频感应耦合等离子体中的放电特性对比仿真与实验的总结为:(1)天线的功率的增加,增加了放电产生等离子体的吸收功率,从而增加了等离子体密度;同样,等离子体的电子温度也随射频功率的升高而升高。(2)等离子体的电子密度随着腔内气压的增加而增加,当气压增加到150Pa时,电子密度随着气压的增加反而减小。(3)轴向测量与仿真表示,等离子体的电子密度分布从石英窗到基板是先升高后降低,峰值在石英窗与基底之间的某处,增加正偏压后,等离子体的电子密度和电子温度升高,基片电流随着正偏压的升高而升高,而加入负偏压的现象与正偏压现象相反。
姜海富[10]2009年在《细长管内腔空心阴极放电等离子体离子注入/沉积研究》文中提出管筒件内表面处理一直是等离子体表面改性领域的难题,特别是内径较细及长径比较大的管件,等离子体难以进入管件内部,因而处理难度较大。针对这个问题,本文提出了一种新的有效的管件内表面处理的方法,空心阴极等离子体源内表面改性法。本文首先研究了空心阴极放电等离子体特性,并对平面工件进行了等离子体处理。同时,通过等离子体粒子模型研究了空心阴极管内注入等离子体动力学行为,在此基础上对管件内表面进行了DLC膜层沉积及等离子体注氮研究。基于空心阴极放电现象,本文研制了复合地电极空心阴极管内表面放电系统,该系统可以在Ф20×500mm规格的细长管内部产生稳定的等离子体,能够实现管件内表面薄膜沉积及氮离子注入。空心阴极放电等离子体特性研究结果表明:在自由状态空心阴极的放电结构下,阴极前端径向电流密度随径向距离的增加逐渐降低,RF功率的增加导致电流密度增加。在管件约束的空心阴极结构下,管内轴向等离子体密度随距阴极前端口距离的增加逐渐降低。随气体流量和气压的增加,等离子体密度先增大后减小。大直径及较短的管件会提高管内轴向等离子体密度的均匀性。采用小内径空心阴极时,管内相同位置等离子体密度最高。相对于管件悬浮的情况,管件接地后,等离子体密度明显提高。屏蔽地电极的加入增加了空心阴极的起辉难度。RF功率相同时,随着屏蔽地电极出口与空心阴极嘴距离的增加,管内相同位置等离子体密度升高;随着屏蔽地电极内径的增大,等离子体密度先增加后降低,且都高于无屏蔽地电极结构。利用空心阴极等离子体源,成功的在直径Ф20mm不锈钢圆片表面沉积了TiN及DLC膜层,并进行了氮离子注入。结果表明:随样品施加偏压的升高,TiN(111)晶向择优生长。薄膜表面呈现岛状结构,粗糙度较低,在样品表面范围内,TiN膜层厚度及晶粒尺寸较为均匀。所有制备的DLC薄膜都具有良好的耐磨性能。-50V偏压处理的DLC薄膜厚度最大,sp3键含量较多,硬度最高。注氮处理后,不锈钢样品的耐腐蚀性能得到了不同程度的提高。15kV注入的样品具有较高的硬度和良好的耐磨性能。针对空心阴极等离子体,利用二维等离子体粒子模型系统研究了管筒内表面离子注入的动力学行为。中心辅助地电极的引入使管件内部建立了径向电场,提高了注入离子的径向速度,有利于取得良好的改性效果。采用较长尺寸的中心地电极及小内径的屏蔽地电极有利于注入离子径向速度的提高。管上施加电压的提高使注入离子的径向速度增加,但注入剂量变化不大。等离子体密度的提高使离子注入的径向速度减小,但注入剂量显着增加。采用复合地电极空心阴极等离子体源实现了内径Ф20mm-Ф40mm,长140mm管件内表面改性,包括DLC薄膜的制备及氮离子注入。定点处理的方式可以获得1-2μm厚的DLC膜层,最大沉积率为65.7nm/min。拉曼光谱显示所有的DLC膜都存在两个宽峰,即1590cm-1附近的G峰及1370cm-1附近的D峰。随着样品偏压及气压的升高,DLC薄膜的厚度都呈现先增大后减小的趋势。4kV及6kV定点处理的样品Id/Ig值较低,耐磨性能较好。而在气压变化的条件下,0.8Pa及1.0Pa处理的样品具有较好的耐磨性能。整管处理时,管件内径越小,处理的时间越长,膜层越厚,耐磨性能越好。XPS分析结果表明不锈钢样品表面形成了FeN及CrN等金属氮化物,且样品表面的氮浓度较高。随着RF功率、管件内径、电压以及频率的增加,注氮处理样品的耐磨性能增强。所有注氮样品的耐腐蚀性能均得到了提高。
参考文献：
[1]. 射频及脉冲偏压等离子体鞘层流体动力学模拟[D]. 戴忠玲. 大连理工大学. 2004
[2]. PBAIP等离子体鞘层物理特性的应用研究[D]. 刘磊. 大连理工大学. 2006
[3]. 射频偏压等离子体鞘层流体动力学模拟[C]. 吕少波, 李明, 姚红冉, 蔺增, 巴德纯. 真空冶金与表面工程——第八届真空冶金与表面工程学术会议论文集. 2007
[4]. 射频电容耦合等离子体的流体动力学/Monte-Carlo混合模型数值模拟[D]. 王懿翎. 大连理工大学. 2007
[5]. 双频容性耦合等离子体鞘层中带电粒子输运的流体力学模拟[D]. 王丽红. 大连理工大学. 2006
[6]. 等离子体应用技术的数值模拟研究[D]. 丁可. 复旦大学. 2006
[7]. 等离子体源离子注入及辉光放电过程中脉冲鞘层动力学研究[D]. 刘成森. 大连理工大学. 2005
[8]. 基于Monte Carlo方法的RIE工艺模拟[D]. 刘梁. 东南大学. 2015
[9]. 强电磁波激发等离子体中外加偏压的影响研究[D]. 韦映竹. 电子科技大学. 2017
[10]. 细长管内腔空心阴极放电等离子体离子注入/沉积研究[D]. 姜海富. 哈尔滨工业大学. 2009
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