等离子体源离子注入同轴圆柱电极间的鞘层模型

由等离子体源离子注入过程中圆筒零件与内电极构成的同轴圆柱电极间的鞘层扩展模型，推导出鞘层扩展前沿与扩展时间函数关系的微分方程，并利用二次样条插值法求出其数值解。这一结果可用来计算圆筒零件等离子体源内表面离了注入中每一脉冲时间内鞘层的扩展宽度，并依此计算出盯应的注入剂量。     

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.     

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。     

等离子体浸没离子注入及表面强化工艺的进展

等离子体浸没离子注入 (PIII)消除了传统束线离子注入 (IBII)固有的视线限制 ,是一种更适合于处理复杂形状工件的手段 .近十年来 ,PIII及其工业应用在国内外得到了迅速发展 .然而 ,随着PIII的研究与开发的深入 ,发现仍有若干重要的物理与技术问题 ,诸如浅的注入层、离子注入不均匀性、气体 (氮 )等离子体的有限应用范围等等 ,阻碍了PIII工业应用的发展 .目前 ,这些问题已成为国内外学者关注的焦点 .我实验室近年来在注入过程鞘层动力学的计算机理论模拟、离子注入剂量不均匀性改善、圆筒内表面注入研究、新型长射程阴极弧金属等离子体源研制、气体及金属等离子体的综合性表面改性工艺研究、以及低能高温PIII新工艺研究等方面进行了研究工作 .     

电感耦合等离子体离子注入内表面的数值仿真研究

本文采用Particle-in-cell模型对采用电感等离子体离子注入处理管内表面的动力学过程进行数值仿真研究,考察了电感线宽对管内电势分布、鞘层重叠、离子平均注入能量、剂量和角度等的影响。计算结果表明随着电感线宽的增加,电感线圈对等离子体鞘层扩展的钳制作用增强,管内的鞘层重叠系数下降,电感内的离子消耗速度下降。在鞘层内电场力的作用下,离子会发生聚集,离子聚集点的位置随着电感线宽的增加向外移动。研究结果还表明通过增加电感线宽可以进一步提高管内表面的离子平均注入能量。离子注入以接近垂直的角度注入到管内表面,虽然电感线圈会产生阴影效应,但管内表面的阴影可以通过管与电感线圈的相对运动来消除。     

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。     

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。     

第二十讲 真空离子镀膜

正(接2018年第4期第80页)(1)等离子体鞘:基片(工件)放进等离子体云中,不与等离子体直接接触。基片与等离子体之间隔了一层电中性被破坏了的薄层,是一个负电位区,称等离子体鞘,或称鞘层。在等离子体与容器壁之间,放置在等离子体中的任何绝缘体表面,或插入等离子体中的电极近旁都会形成鞘层。轰击基片的离子的能量部分或大部分是在离子鞘内获得,所以在离子镀中调节离子鞘的电位     

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。     

等离子体浸没离子注入球形靶的鞘层尺度

对于等离子体浸没离子注入(PIII)技术,球形靶鞘层尺度预测对真空室设计、批量处理研究等是十分有用的。但由于球形靶鞘层Child-Langmuir定律数学表达的非线性使得工程应用较为困难。本文对球形靶的鞘层尺度进行了数值求解、讨论了注入参数对鞘层尺度的影响。计算结果表明,鞘层厚度(包括离子阵鞘层和稳态鞘层)随球体半径或注入电压增加而增加,随等离子体密度增加而减小。但对于不同的参数区间,鞘层特性对参数的变化表现出不同的敏感性。当等离子体密度较高、注入电压较低时,稳态鞘层厚度对于靶体半径的变化极不敏感。相反鞘层厚度对靶体大小变化较为敏感。虽然平面靶与球形靶的离子阵鞘层尺度比值与等离子体密度及球体半径有关,但平面靶稳态鞘层尺度总是大于球形靶的。这对于实际的PIII应用具有重要的指导意义。     

等离子体浸没离子注入球形靶的鞘层尺度

对于等离子体浸没离子注入（PIII）技术,球形靶鞘层尺度预测对真空室设计,批量处理研究先进是十分有用的,但由于球形靶鞘层Child-Langmuir定律数学表达的非线笥使得工程应用较为困难,本文对球形靶的鞘层尺度进行了数值求解,讨论了注入参数对鞘层尺度的影响,计算结果表明,鞘层厚度（包括离子阵鞘层和稳态鞘层）随球体半径或注入电压增加而增加,随等离子体密度增加而减小,但对于不同的参数区间,鞘层特性对参数的变化表现出不同的敏感性,当离子体密度较高,注入电压较低时,稳态鞘层厚度对于靶体半径的变化有不敏感,相反鞘层厚度对靶体大小变化较为敏感,虽然平面靶与球形靶的离子辄鞘层尺度比值与等离子体密度及球体半径有关,但平面靶稳态鞘层尺度总是大于球形靶的,这对于实际的PIII应用具有重要的指导意义。     

等离子体离子注入PIC仿真的MATLAB实现

MATLAB是当今先进计算软件之一,它提供的各类工具箱和内置函数给应用者带来了极大的方便。本文通过调用MATLAB中偏微分方程工具箱和插值函数实现了方管内表面等离子体离子注入的Particle-In-Cell模拟,并与传统其他语言程序的计算结果对比,结果基本一致。文章还讨论了不同尺寸的内电极对离子平均注入能量的影响,结果表明:即使有内部电极"钳位",平均注入能量也不高;在管壁偏压相同的情况下,尺寸较大的内电极因为"钳位"效果较好而具有较高的平均离子注入能量。最后提供了MATLAB对不规则形状靶件的计算结果,证明了MATLAB软件对不规则形状靶件的PIC模型有较好的适应性。MATLAB的应用为等离子体的模拟提供了简便易学的新途径。     

离子成分比对等离子体浸没离子注入圆柱形介质管内表面鞘层演化特性的影响

采用一维和双离子自洽流体模型研究了等离子体浸没离子注入圆柱形聚对苯=甲酸乙=醇酯介质内表面的离子鞘层动力学.在模型中,考虑工作气体为氮气时离子成分为氮原子离子N+和分子离子N2+.计算结果表明,不同的离子成分比具有不同的鞘层演化特性,氮原子离子含量高会导致严重的充电效应.在实际工艺中,可通过调整相关参数以降低原子离子N+的成分以抑制充电效应.     

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。     

等离子体浸没离子注入(PIII)过程中初始离子阵鞘层尺度内各物理量的时空演化

等离子体浸没离子注入(PIII)是用于材料表面改性的一种较新的、廉价的、非视线的技术.靶体被浸没在等离子体中,等离子体中的离子在靶体负脉冲偏压的作用下注入靶体而实现材料的表面改性.为了描述等离子体浸没离子注入过程,我们引用了一维粒子模型(PIC)对其进行了数值模拟,该模型通过求解空间电势的Poisson方程,电子的Bolzmann分布以及离子在网格中受力运动的Newton运动方程来完成.本文重点研究了一个初始离子阵鞘层内电势、离子浓度、离子注入靶体的速度和动能以及离子流密度的时空演化规律.     

等离子体基离子注入菱形靶鞘层扩展的流体动力学模拟

利用流体动力学模型,研究了围绕菱形靶的等离子体鞘层扩展,通过改变靶的形状,考察了不同角度外角对鞘层的时空演化及等离子体参量的影响。结果表明,外角愈尖锐,鞘层扩展速度愈慢,而参考平面处鞘层扩展速度最快,因而使鞘层有向圆柱形扩展的趋势,尽管尖锐的外角处电荷密度高,会吸引较多的离子轰击该处,但非垂直入射会显著降低离子入射剂量。     

射频等离子系统中微弧放电的解析模型

最近我们在实验中发现：射频等离子体系统中的高电位可以引发微弧放电，这种微弧放电现象不是发生在射频系统的输入极上而是发生在接地极上。这种相对于电极呈非对称分布的微弧放电现象不是我们期待的结果，也不能用现有的理论来解释它。本文在Child-Langmuir鞘层模型理论和电流连续性理论的基础上，推导建立了一个用于表述射频等离子体系统中的这种非对称型微弧放电现象的解析模型。从我们的推导过程可以发现鞘层内外的电位差取决于接地极鞘层面积与输入极鞘层面积之比。当接地极的鞘层面积大于输入极鞘层面积时，接地极鞘层电位差的最小值成为高电位，从而引发电弧放电。而输入极鞘层电位差的最小值不发生变化。这个模型和推导结果与实验现象和PIC仿真数据有较好的一致性。     

用等离子体源离子注入法提高金属表面耐蚀性

对等离子体源离子注入和常规离子注入进行了对比，介绍了等离子体注入在提高金属表面硬度和抗腐蚀性能上的应用，讨论了电子回旋共振等离子体源离子注入在提高表面腐蚀抗力中的前景。     

正方形钛试样表面等离子体基离子注入氮的保留剂量研究

为了研究靶形状对等离子体基离子注入均匀性的影响，应用Auger电子能谱(AES)剖面分析，测量并计算了正方形靶表面排布的Ti试样经氮等离子体基离子注入(PBⅡ)的保留剂量分布．由于N的Auger电子发射能量与Ti的完全重合，而且表面氧化层对Ti的Auger跃迁产生很大的影响，因此应用AES对于氮等离子体基离子注入钛基金属进行化学分析变得较为复杂．本文探讨了一种既解决峰位重叠问题又考虑氧化层影响的方法，从而能够根据，AES溅射剖面分析数据计算浓度深度曲线，并获得保留剂量．正方形靶表面不同位置处的剂量测算结果表明，靶的形状对于保留剂量有着很大的影响，造成剂量呈梯度分布．同时还发现，Ti氧化层随着保留剂量的增大而增厚。