脉冲参数对等离子体浸没离子注入介质靶鞘层演化规律的影响

朱文艳

(重庆公共运输职业学院,重庆 402247)

在实际的PIII工艺中,当待处理的工件是绝缘材料而不是金属导体的时候,当施加的负高压脉冲开启时,由于绝缘介质的导电性能很差,这样在被注入的物体表层就会堆积离子,形成的积累电荷就会造成基板表面的充电效应,形成一个相反的电场,降低基板表面的电势,使得入射到待处理物体表层的离子能量减小。为了减缓上述问题造成的不良后果,在实际工艺中常常使用具有脉冲形式的电压来缓减这种介质表层的充电效应。而且PIII处理结果的良好与否与所加的负的高压脉冲有着很大的关系。在模拟中假设的理想脉冲形式是矩形的方波脉冲,但是在具体PIII实验中输出的脉冲不是瞬间就可以达到最高的幅值或者降低到零,这些过程都是需要一段时间的,这样会导致离子注入的能量没有办法精确控制,使得注入离子能量分布的均匀性变差,多种能量的离子的注入会给实际工艺带来不利的影响。

脉冲参数的研究成为关注的热点问题,而且相继涌现出很多与之相关的各方面研究。Sheridan[1]等使用流体模型和粒子模拟的方法研究了在施加考虑脉冲上升到幅值需要时间形式的脉冲电压的情况下平面待处理物体表层附近的鞘层变化规律;黄永宪和田修波[2]等人利用PIC模型就脉冲上升沿长短对PIII过程的影响进行了数值模拟;刘爱国[3]等研究了偏转电场法内表面PIII在不同脉冲宽度下注入离子的能量,剂量以及能量分布的变化规律。

本文采用如下形式的脉冲,讨论其格参数对注入效果的影响。

在以下的模拟计算中,采用的工作气体是氮气,而且考虑的离子只有离子,待处理物体的介质层材料是三氧化二铝(Al2O3),其相对介电常数εr=8.8,电子温度为kTee=1eV等离子体密度n0=6.8×109cm-3,金属电极上所施加负的脉冲形式的电压幅值Vp=-10k V,脉冲上升沿时间脉冲持续时间脉冲下降沿时间介质靶的厚度d=1.0mm。

1 脉冲上升沿的影响

图1-图2表示的是脉冲上升沿时间的长短对表面电势和鞘层厚度的影响,这里取的三组不同的上升沿时间分别是：trωpi=1、trωpi=1.25、trωpi=1.5。

首先我们分析脉冲上升沿时间对鞘层厚度变化规律的影响,可以看出在脉冲的初始和开始下降以后的阶段鞘层的厚度受脉冲上升沿时间长短的影响比较明显,且上升沿时间越短,鞘层越厚。由图1可以看出,脉冲上升沿时间越短,介质表面电势幅值增加越快,到脉冲持续期,由于介质表面的充电效应,导致表面电势下降。脉冲上升沿越短,表面电势下降地就越多,也就是说充电效应越严重。而且从图1和2可以看出,脉冲上升沿时间越短离子流密度和离子能量越大。

2 脉冲下降沿的影响

图3-图4描述的是脉冲下降沿时间的长短对鞘层厚度和表面电势变化规律的影响。在这里我们取的三组不同的脉冲下降沿时间分别是：tfωpi=2.0、tfωpi=2.5、tfωpi=3.0。

由图3可以看到,鞘层厚度的变化规律在脉冲持续的时间内一致,到脉冲下降沿的时候,下降沿时间越短,鞘层的厚度会随之减小地越快。图4表示的是介质靶表面的电势随着下降沿时间的改变而改变的规律。由图可以看出,在脉冲开始下降的时候,短的脉冲下降沿会使介质靶表面的电势下降的坡度更陡。

从以上的模拟结果中可以看到,脉冲的下降沿时间越短,鞘层厚度就会更快地减小,就会使得更多的电子到达基板,进而就会使得待处理的工件表层堆积的电荷减少,即达到了减缓介质层表面充电效应的目的。

3 结语

综上,我们通过分析脉冲参数对鞘层的动力学演化影响的模拟研究发现,脉冲的参数对实际的PIII工艺有很大的影响,所以能够选择一组合适的脉冲参数对于更高效率和更好效果的表面改性是很重要的。从以上的结果我们可以发现,在一定的范围内,恰当地增加脉冲上升沿的时间和减小脉冲下降沿时间会有益于离子注入实现表面改性的效果。

[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,杨士勤,等.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[J].物理学报,2007,56(8)：4762-09.

[3] 刘爱国,陆显文,王晓峰,等.脉冲宽度对偏转电场法内表面等离子体浸没离子注入的影响[J].材料科学与工艺,1999(s1)：121-123.