增强辉光放电等离子体离子注入的三维PIC/MC模拟

何福顺; 李刘合; 李芬; 顿丹丹; 陶婵偲

doi:10.7498/aps.61.225203

摘要

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, 5 μs时鞘层达到稳定扩展, 15 μs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自持的辉光放电. 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.

关键词:

Abstract

Enhanced glow discharge plasma immersion ion implantation is self-consistently simulated using a three-dimensional PIC/MC model. The information about ion counts, space potential, plasma density and ion incident dose is obtained. The results show that the sheath has fully expanded at 5 μs. There is a stable equilibrium of ion counts at 15 μs, which corroborates the characteristic of self-sustaining glow discharge of EGD-PIII. In the space just below anode where is found a highest plasma density, verifying the electron focusing effect. The rate of implantation is steady and the incident dose is relatively uniform except at the rim of target. A higher pulse negative bias may increase the injection rate but reduce the dose uniformity at the same time.

Keywords:

作者及机构信息

1.
北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京 100191

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11075012)资助的课题.

Authors and contacts

1.
School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11075012).

参考文献

[1]	Conrad J R, Radtke J L, Dodd R A, Worzala F G, Tran N C 1987 J. Appl. Phys. 62 4591
[2]	Tendys J, Donnelly I J, Kenny M J, Pollock J T A 1988 Appl. Phys. Lett. 53 2143
[3]	Li X C, Wang Y N 2004 Acta Phys. Sin. 53 2667 (in Chinese) [李雪春, 王友年 2004 物理学报 53 2666]
[4]	Chu P K 2004 J. Vac. Sci. Technol. B 22 289
[5]	Walter K C 1994 J. Vac. Sci. Technol. B 12 945
[6]	Li L H, Chu P K 2007 Surf. Coat. Technol. 201 6516
[7]	Chu P K, Li L H U.S. Patent 8 119 208 B2 [2012-02-21]
[8]	Li L H, Poon R W Y, Kwok S C H, Chu P K, Wu Y Q, Zhang Y H 2003 Rev. Sci. Instrum. 74 4301
[9]	Lu Q Y, Li L H, Fu R K Y, Chu P K 2008 Phys. Lett. A 372 6183
[10]	Li L H ,Wu Y Q, Zhang Y H, Fu R K Y, Chu P K 2005 J. Appl. Phys. 97 113301
[11]	Lu Q Y, Li L H, Li J H, Fu R K Y, Chu P K 2009 Appl. Phys. Lett. 95 061503
[12]	Lu Q Y, Li L H, Fu R K Y, Chu P K 2008 J. Appl. Phys. 104 043303
[13]	Li L H, Lu Q Y, Fu R K Y, Chu P K 2009 Nucl. Instrum. Methods. Phys. Res. Sect. B 267 1696
[14]	Lu Q Y, Wang Z, Li L H, Fu R K Y, Chu P K 2010 J. Appl. Phys. 108 033304
[15]	Wang Z, Zhu Y, Li L H, Lu Q Y, He F S, Dun D D, Li F, Fu R K Y, Chu P K 2011 Riew. Sci. Instrum. 82 023503
[16]	Kwok D T K, Lu Q Y, Li L H, Li J H, Fu R K Y, Chu P K 2008 Appl. Phys. Lett. 93 091501
[17]	Li L H, Li J H, Kwok D T K, Wang Z, Chu P K 2009 J. Appl. Phys. 106 013313
[18]	En W, Cheung N W 1996 IEEE. Trans. Plasma Sci. 24 1184
[19]	Kwok DTK, Li J H, Ma X B, Chu P K 2010 J. Phys. D: Appl. Phys. 43 095203
[20]	Wang P, Tian X B, Wang Z J, Gong C Z , Y S Q 2011 Acta Phys. Sin. 60 085206 (in Chinese) [王蓬, 田修波, 汪志健, 巩春志, 杨士勤 2011 物理学报 60 085206]
[21]	Kwok D T K 2006 IEEE. Trans. Plasma. Sci. 34 1059
[22]	Shao F Q 2002 Plasma Particle Simulation (Beijing: Science Press) p28 (in Chinese) [邵福球 2002 等离子体粒子模拟 (北京:科学出版社) 第28页]
[23]	Yang C, Liu D G, Wang X M, Liu L Q, Wang X Q, Liu S G Acta Phys. Sin. 61 045204 (in Chinese) [杨超, 刘大刚, 王小敏, 刘腊群, 王学琼, 刘盛刚 2012 物理学报 61 045204]
[24]	Vahedi V, Surendra M 1995 Comput. Phys. Commun. 87 179
[25]	Brusa R S, Karwasz G P, Zecca A 1996 Z. Phys. D: At. Mol. Clusters. 38 279
[26]	Li L H, Fu R K Y, Poon R W Y, Kwok S C H, Chu P K, Wu Y Q, Zhang Y H, Cai X, Chen Q L, Xu M 2004 Surf. Coat. Technol. 186 165

施引文献

[1]	Conrad J R, Radtke J L, Dodd R A, Worzala F G, Tran N C 1987 J. Appl. Phys. 62 4591
[2]	Tendys J, Donnelly I J, Kenny M J, Pollock J T A 1988 Appl. Phys. Lett. 53 2143
[3]	Li X C, Wang Y N 2004 Acta Phys. Sin. 53 2667 (in Chinese) [李雪春, 王友年 2004 物理学报 53 2666]
[4]	Chu P K 2004 J. Vac. Sci. Technol. B 22 289
[5]	Walter K C 1994 J. Vac. Sci. Technol. B 12 945
[6]	Li L H, Chu P K 2007 Surf. Coat. Technol. 201 6516
[7]	Chu P K, Li L H U.S. Patent 8 119 208 B2 [2012-02-21]
[8]	Li L H, Poon R W Y, Kwok S C H, Chu P K, Wu Y Q, Zhang Y H 2003 Rev. Sci. Instrum. 74 4301
[9]	Lu Q Y, Li L H, Fu R K Y, Chu P K 2008 Phys. Lett. A 372 6183
[10]	Li L H ,Wu Y Q, Zhang Y H, Fu R K Y, Chu P K 2005 J. Appl. Phys. 97 113301
[11]	Lu Q Y, Li L H, Li J H, Fu R K Y, Chu P K 2009 Appl. Phys. Lett. 95 061503
[12]	Lu Q Y, Li L H, Fu R K Y, Chu P K 2008 J. Appl. Phys. 104 043303
[13]	Li L H, Lu Q Y, Fu R K Y, Chu P K 2009 Nucl. Instrum. Methods. Phys. Res. Sect. B 267 1696
[14]	Lu Q Y, Wang Z, Li L H, Fu R K Y, Chu P K 2010 J. Appl. Phys. 108 033304
[15]	Wang Z, Zhu Y, Li L H, Lu Q Y, He F S, Dun D D, Li F, Fu R K Y, Chu P K 2011 Riew. Sci. Instrum. 82 023503
[16]	Kwok D T K, Lu Q Y, Li L H, Li J H, Fu R K Y, Chu P K 2008 Appl. Phys. Lett. 93 091501
[17]	Li L H, Li J H, Kwok D T K, Wang Z, Chu P K 2009 J. Appl. Phys. 106 013313
[18]	En W, Cheung N W 1996 IEEE. Trans. Plasma Sci. 24 1184
[19]	Kwok DTK, Li J H, Ma X B, Chu P K 2010 J. Phys. D: Appl. Phys. 43 095203
[20]	Wang P, Tian X B, Wang Z J, Gong C Z , Y S Q 2011 Acta Phys. Sin. 60 085206 (in Chinese) [王蓬, 田修波, 汪志健, 巩春志, 杨士勤 2011 物理学报 60 085206]
[21]	Kwok D T K 2006 IEEE. Trans. Plasma. Sci. 34 1059
[22]	Shao F Q 2002 Plasma Particle Simulation (Beijing: Science Press) p28 (in Chinese) [邵福球 2002 等离子体粒子模拟 (北京:科学出版社) 第28页]
[23]	Yang C, Liu D G, Wang X M, Liu L Q, Wang X Q, Liu S G Acta Phys. Sin. 61 045204 (in Chinese) [杨超, 刘大刚, 王小敏, 刘腊群, 王学琼, 刘盛刚 2012 物理学报 61 045204]
[24]	Vahedi V, Surendra M 1995 Comput. Phys. Commun. 87 179
[25]	Brusa R S, Karwasz G P, Zecca A 1996 Z. Phys. D: At. Mol. Clusters. 38 279
[26]	Li L H, Fu R K Y, Poon R W Y, Kwok S C H, Chu P K, Wu Y Q, Zhang Y H, Cai X, Chen Q L, Xu M 2004 Surf. Coat. Technol. 186 165

[1]	牛越, 包为民, 李小平, 刘彦明, 刘东林. 大功率热平衡感应耦合等离子体数值模拟及实验研究. 物理学报, 2021, 70(9): 095204. doi: 10.7498/aps.70.20201610
[2]	陈国华, 石科军, 储进科, 吴昊, 周池楼, 肖舒. 环形磁场金属等离子体源冷却流场的数值模拟与优化. 物理学报, 2021, 70(7): 075203. doi: 10.7498/aps.70.20201368
[3]	喻明浩. 非平衡感应耦合等离子体流场与电磁场作用机理的数值模拟. 物理学报, 2019, 68(18): 185202. doi: 10.7498/aps.68.20190865
[4]	姜春华, 赵正予. 化学复合率对激发赤道等离子体泡影响的数值模拟. 物理学报, 2019, 68(19): 199401. doi: 10.7498/aps.68.20190173
[5]	郭恒, 张晓宁, 聂秋月, 李和平, 曾实, 李志辉. 亚大气压六相交流电弧放电等离子体射流特性数值模拟. 物理学报, 2018, 67(5): 055201. doi: 10.7498/aps.67.20172557
[6]	危卫, 张力元, 顾兆林. 工业中粉体颗粒的荷电机理及数值模拟方法. 物理学报, 2015, 64(16): 168301. doi: 10.7498/aps.64.168301
[7]	高启, 张传飞, 周林, 李正宏, 吴泽清, 雷雨, 章春来, 祖小涛. Z箍缩Al等离子体X特征辐射谱线数值模拟及考虑叠加效应后的修正. 物理学报, 2014, 63(12): 125202. doi: 10.7498/aps.63.125202
[8]	黄永宪, 冷劲松, 田修波, 吕世雄, 李垚. 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. 物理学报, 2012, 61(15): 155206. doi: 10.7498/aps.61.155206
[9]	刘杰, 刘邦武, 夏洋, 李超波, 刘肃. 等离子体浸没离子注入制备黑硅抗反射层及其光学特性研究. 物理学报, 2012, 61(14): 148102. doi: 10.7498/aps.61.148102
[10]	欧阳建明, 邵福球, 邹德滨. 大气等离子体中负氧离子产生和演化过程数值模拟. 物理学报, 2011, 60(11): 110209. doi: 10.7498/aps.60.110209
[11]	庞学霞, 邓泽超, 贾鹏英, 梁伟华. 大气等离子体中氮氧化物粒子行为的数值模拟. 物理学报, 2011, 60(12): 125201. doi: 10.7498/aps.60.125201
[12]	王蓬, 田修波, 汪志健, 巩春志, 杨士勤. 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. 物理学报, 2011, 60(8): 085206. doi: 10.7498/aps.60.085206
[13]	欧阳建明, 邵福球, 林明东. 含氧等离子体中臭氧形成过程数值模拟. 物理学报, 2008, 57(5): 3293-3297. doi: 10.7498/aps.57.3293
[14]	庞学霞, 邓泽超, 董丽芳. 不同电离度下大气等离子体粒子行为的数值模拟. 物理学报, 2008, 57(8): 5081-5088. doi: 10.7498/aps.57.5081
[15]	黄永宪, 田修波, 杨士勤, Fu Ricky, Chu K. Paul. 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. 物理学报, 2007, 56(8): 4762-4770. doi: 10.7498/aps.56.4762
[16]	欧阳建明, 邵福球, 王龙, 房同珍, 刘建全. 一维大气等离子体化学过程数值模拟. 物理学报, 2006, 55(9): 4974-4979. doi: 10.7498/aps.55.4974
[17]	郭文琼, 周晓军, 张雄军, 隋展, 吴登生. 等离子体电极普克尔盒电光开关单脉冲过程数值模拟. 物理学报, 2006, 55(7): 3519-3523. doi: 10.7498/aps.55.3519
[18]	段耀勇, 郭永辉, 王文生, 邱爱慈. 钨丝阵等离子体Z箍缩的数值模拟. 物理学报, 2004, 53(8): 2654-2660. doi: 10.7498/aps.53.2654
[19]	袁行球, 李　辉, 赵太泽, 王　飞, 郭文康, 须　平. 超音速等离子体炬的数值模拟. 物理学报, 2004, 53(3): 788-792. doi: 10.7498/aps.53.788
[20]	于艳梅, 杨根仓, 赵达文, 吕衣礼, A. KARMA, C. BECKERMANN. 过冷熔体中枝晶生长的相场法数值模拟. 物理学报, 2001, 50(12): 2423-2428. doi: 10.7498/aps.50.2423

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