脈沖參數對等離子體浸沒離子注入介質靶鞘層演化規律的影響

朱文艷

(重慶公共運輸職業學院,重慶 402247)

在實際的PIII工藝中,當待處理的工件是絕緣材料而不是金屬導體的時候,當施加的負高壓脈沖開啟時,由于絕緣介質的導電性能很差,這樣在被注入的物體表層就會堆積離子,形成的積累電荷就會造成基板表面的充電效應,形成一個相反的電場,降低基板表面的電勢,使得入射到待處理物體表層的離子能量減小。為了減緩上述問題造成的不良后果,在實際工藝中常常使用具有脈沖形式的電壓來緩減這種介質表層的充電效應。而且PIII處理結果的良好與否與所加的負的高壓脈沖有著很大的關系。在模擬中假設的理想脈沖形式是矩形的方波脈沖,但是在具體PIII實驗中輸出的脈沖不是瞬間就可以達到最高的幅值或者降低到零,這些過程都是需要一段時間的,這樣會導致離子注入的能量沒有辦法精確控制,使得注入離子能量分布的均勻性變差,多種能量的離子的注入會給實際工藝帶來不利的影響。

脈沖參數的研究成為關注的熱點問題,而且相繼涌現出很多與之相關的各方面研究。Sheridan[1]等使用流體模型和粒子模擬的方法研究了在施加考慮脈沖上升到幅值需要時間形式的脈沖電壓的情況下平面待處理物體表層附近的鞘層變化規律;黃永憲和田修波[2]等人利用PIC模型就脈沖上升沿長短對PIII過程的影響進行了數值模擬;劉愛國[3]等研究了偏轉電場法內表面PIII在不同脈沖寬度下注入離子的能量,劑量以及能量分布的變化規律。

本文采用如下形式的脈沖,討論其格參數對注入效果的影響。

在以下的模擬計算中,采用的工作氣體是氮氣,而且考慮的離子只有離子,待處理物體的介質層材料是三氧化二鋁(Al2O3),其相對介電常數εr=8.8,電子溫度為kTee=1eV等離子體密度n0=6.8×109cm-3,金屬電極上所施加負的脈沖形式的電壓幅值Vp=-10k V,脈沖上升沿時間脈沖持續時間脈沖下降沿時間介質靶的厚度d=1.0mm。

1 脈沖上升沿的影響

圖1-圖2表示的是脈沖上升沿時間的長短對表面電勢和鞘層厚度的影響,這里取的三組不同的上升沿時間分別是：trωpi=1、trωpi=1.25、trωpi=1.5。

首先我們分析脈沖上升沿時間對鞘層厚度變化規律的影響,可以看出在脈沖的初始和開始下降以后的階段鞘層的厚度受脈沖上升沿時間長短的影響比較明顯,且上升沿時間越短,鞘層越厚。由圖1可以看出,脈沖上升沿時間越短,介質表面電勢幅值增加越快,到脈沖持續期,由于介質表面的充電效應,導致表面電勢下降。脈沖上升沿越短,表面電勢下降地就越多,也就是說充電效應越嚴重。而且從圖1和2可以看出,脈沖上升沿時間越短離子流密度和離子能量越大。

2 脈沖下降沿的影響

圖3-圖4描述的是脈沖下降沿時間的長短對鞘層厚度和表面電勢變化規律的影響。在這里我們取的三組不同的脈沖下降沿時間分別是：tfωpi=2.0、tfωpi=2.5、tfωpi=3.0。

由圖3可以看到,鞘層厚度的變化規律在脈沖持續的時間內一致,到脈沖下降沿的時候,下降沿時間越短,鞘層的厚度會隨之減小地越快。圖4表示的是介質靶表面的電勢隨著下降沿時間的改變而改變的規律。由圖可以看出,在脈沖開始下降的時候,短的脈沖下降沿會使介質靶表面的電勢下降的坡度更陡。

從以上的模擬結果中可以看到,脈沖的下降沿時間越短,鞘層厚度就會更快地減小,就會使得更多的電子到達基板,進而就會使得待處理的工件表層堆積的電荷減少,即達到了減緩介質層表面充電效應的目的。

3 結語

綜上,我們通過分析脈沖參數對鞘層的動力學演化影響的模擬研究發現,脈沖的參數對實際的PIII工藝有很大的影響,所以能夠選擇一組合適的脈沖參數對于更高效率和更好效果的表面改性是很重要的。從以上的結果我們可以發現,在一定的范圍內,恰當地增加脈沖上升沿的時間和減小脈沖下降沿時間會有益于離子注入實現表面改性的效果。

[1] Sheridan T E,Goeckner M J.Collisional sheath dynamics[J].Journal of applied physics,1995,77(10)：4967-4972.

[2] 王蓬,田修波,楊士勤,等.脈沖偏壓上升沿特性對等離子體浸沒離子注入鞘層擴展動力學的影響[J].物理學報,2007,56(8)：4762-09.

[3] 劉愛國,陸顯文,王曉峰,等.脈沖寬度對偏轉電場法內表面等離子體浸沒離子注入的影響[J].材料科學與工藝,1999(s1)：121-123.