凹模内腔等离子体离子注入数值仿真-(I)脉冲宽度效应

模具表面改性日益受到人们重视.本文采用二维Particle-in-cell/Monte Carlo Collision模型对等离子体浸没离子注入处理凹模型腔内表面的鞘层动力学及均匀性进行了研究.考察了电压脉宽对鞘层中电势分布、离子的运动状态以及型腔内表面离子注入剂量、能量和角度的空间分布的影响.结果表明随着电压脉宽的增加,凹模型腔内表面的注入剂量不均匀性增加,同时注入到内表面的高能离子数目也增加.脉冲宽度变化对注入角度影响不大,离子以接近垂直的入射角度注入到型腔底部,而在侧壁上离子注入角度接近45°.当脉冲宽度较大时,发现少部分注入到侧壁上的离子以一定角度从下往上注入到样品表面,这是由于碰撞效应造成的.从能量和剂量的角度,存在一个合适的脉冲宽度,过大的脉宽会引起剂量不均匀性增加,同时离子注入能量也会下降.     

凹模内腔等离子体离子注入数值仿真—(Ⅰ)脉冲宽度效应

模具表面改性日益受到人们重视。本文采用二维Particle-in-cell/Monte Carlo Collision模型对等离子体浸没离子注入处理凹模型腔内表面的鞘层动力学及均匀性进行了研究。考察了电压脉宽对鞘层中电势分布、离子的运动状态以及型腔内表面离子注入剂量、能量和角度的空间分布的影响。结果表明随着电压脉宽的增加,凹模型腔内表面的注入剂量不均匀性增加,同时注入到内表面的高能离子数目也增加。脉冲宽度变化对注入角度影响不大,离子以接近垂直的入射角度注入到型腔底部,而在侧壁上离子注入角度接近45°。当脉冲宽度较大时,发现少部分注入到侧壁上的离子以一定角度从下往上注入到样品表面,这是由于碰撞效应造成的。从能量和剂量的角度,存在一个合适的脉冲宽度,过大的脉宽会引起剂量不均匀性增加,同时离子注入能量也会下降。     

凹模内腔等离子体离子注入数值仿真——(Ⅱ)工作气压的影响

模具表面改性对提高模具使用寿命和生产率有着十分重要的意义。本文采用二维Particle-in-cell/Monte Carlo colli-sion模型对不同气压下等离子体离子注入处理凹模型腔内表面的鞘层动力学进行研究。考察了气压变化对电势分布、离子运动状态及凹模型腔内表面离子注入剂量、能量和角度分布的影响。计算结果表明随着气压的上升,凹模周围的鞘层厚度变薄;随气压上升,凹模型腔底部和顶部端面离子注入剂量和平均注入能量下降,在型腔侧壁上,离子注入剂量和平均注入能量先上升后下降。注入到型腔侧壁和凹模顶部端面上的离子平均注入角度随气压上升而趋向于垂直入射,型腔底部平均注入角度随气压上升略有增大。研究结果表明通过引入一定的碰撞(变化气压)来改善剂量和能量的均匀性是可行的。     

方管内表面等离子体离子注入动力学GPU-PIC仿真

内表面改性近年日益受到人们重视。本文采用基于Graphic Processing Unit(GPU)的Particle-in-cell(PIC)模型对方形管内表面的离子注入动力学过程进行数值仿真研究。结果表明在注入过程中,辅助地电极周围形成离子空穴,随时间延长,离子空穴发生交联并不断扩展,直至所有离子注入到方管内壁。离子空穴的形成和扩展使得在管内部形成离子密度波,密度波的传播速度随时间增加。由于等离子体鞘层的不均匀重叠使得管内的初始鞘层厚度分布不均,其中位于拐角附近的鞘层较厚,从而又导致了方管内壁周向上的注入剂量和能量分布存在不均匀性,内壁平面附近位置的注入剂量和注入能量均相对较大,而拐角附近的离子注入剂量和能量最小。本文采用GPU加速PIC的算法取得了高达90的加速比,极大缩短了等离子体粒子模拟的计算时间。     

长方体三维工件的高度变化对等离子体离子注入动力学影响研究

采用三维PIC模型仿真研究了等离子体浸没离子注入过程中工件高度变化对鞘层扩展动力学和离子注入效果的影响。模拟结果表明,随着工件高度减小,中心水平截面内鞘层扩展速度明显下降,鞘层最终尺寸也明显减小。随着工件高度减小,工件上表面的注入剂量峰幅值明显增大,表面注入剂量均匀性则显著下降。随着工件高度减小,工件上表面的离子垂直入射面积和高能离子注入面积略有减小。这是由于工件高度减小造成鞘层曲率半径减小,弯曲的鞘层增大了离子聚焦现象将更多离子聚焦注入到工件边角附近位置。随着工件高度减小工件侧壁上的注入剂量峰幅值明显增大,而且工件棱线上的剂量数值也显著增大,且均匀性更好。     

工作气压对多脉冲鞘层动力学行为的影响

分别采用低压非稳态扩散流体模型和碰撞流体模型描述了等离子体浸没离子注入平面靶表面过程中等离子体回复扩散和鞘层演化行为,通过数值求解两流体模型研究了不同工作气压下多脉冲鞘层的时空演化动力学特征。计算结果表明,在连续脉冲作用下,开始几个脉冲内的注入离子流和离子碰撞能量较高,几百微秒内迅速降低并达到一个稳定值。多个脉冲作用后的离子注入参数稳定值比初始一个脉冲内的结果更准确,更具理论指导意义。工作气压对初始等离子体密度分布、注入离子流和离子碰撞能量影响显著。较低的工作气压无论对提高离子注入剂量还是离子碰撞能量都是十分有利的。     

球心处有附加电极的半圆形容器等离子体源离子注入过程中鞘层的时空演化

本文利用两维流体模型研究了半圆形容器在放置共心零电位附加电极情况下,等离子体源离子注入的离子鞘层时空演化动力学过程.考察了鞘层内随时间变化的电势分布和离子密度分布,计算了容器内外表面的离子束流密度分布和注入剂量分布随时间的变化规律.研究结果显示,容器内表面附近鞘层扩展到附加电极后,其中的离子逐渐都注入到容器内表面、电场分布逐渐趋于稳定.同时,在容器内表面上,离子注入剂量不再增加.     

等离子体浸没离子注入的二维元胞粒子法计算机模拟与剂量分布研究

采用二维元胞粒子模型（PIC），模拟了一个完整脉冲时段内，等离子体浸没离子注入平板靶的过程。重点研究了等离子体鞘层的时空演化规律，以及入射离子流密度、入射离子角度与能量的分布，由此得到了注入离子剂量在靶表面的分布。模型结果表明：等离子体鞘层的扩展先快后慢，且形状由椭圆柱形向圆柱形演化，对靶的保形性逐渐变差；注入离子剂量在靶表面的分布不均匀，在边角附近出现峰值；同时，在得到的入射离子信息基础上，对注入离子在改性层中的浓度深度分布研究表明，在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著差别，在靶边角处，注入离子的保留剂量很低，投影射程浅，浓度深度分布展宽较窄。     

PIII中工作气压和占空比优化关系的数值研究

等离子体浸没离子注入中的等离子体扩散过程和鞘层演化行为分别由低压非稳态扩散流体模型与鞘层碰撞流体模型来进行描述,数值模拟研究了工作气压与占空比对离子注入剂量和能量的影响。计算结果表明,工作气压不变时,随占空比变化,一定时间内的离子注入剂量有极大值,并且极大值对应的占空比会随着工作气压降低而减小。工作气压较高时,占空比越小离子碰撞能量越高;而工作气压较低时,占空比越大离子碰撞能量越高。相同工作气压下占空比对离子注入剂量的影响要比离子碰撞能量显著。     

一种新型复合加速离子注入动力学研究

提出了一种基于靶台(工件)二次加速的束线离子注入的新方法,基本原理是将传统束线离子注入和等离子体离子注入有效复合。采用二维Particle-in-cell(PIC)模型对这种注入方法进行了数值仿真研究。考察了靶台加负偏压情况下靶台表面空间电势、离子密度变化以及离子的运动状态的时空演化。统计分析了不同时刻离子注入剂量、注入能量和注入角度的分布规律。结果表明:靶台施加偏压对束流离子起到了很好的二次加速效果,束线离子复合加速离子注入这种新方法理论上是切实可行的。同时发现在靶台附近空间电场的作用下,离子束会发生小角度偏转,由柱状形逐渐变成"喇叭口"形,靶台表面有效注入范围扩大。靶台表面注入剂量分布呈中心区域高边缘区域低的趋势。这种新方法有助于减缓电源硬件加工的难度,增加了工艺的灵活性。