等离子体应用技术的数值模拟研究 ——PDP及其他等离子体辅助技术的数值模拟

论文摘要

低温等离子体技术已经在微电子、材料、化工、机械及环保等许多科学领域里得到了广泛地应用。随着人们对低温等离子体发生的物理过程，以及对等离子体与材料表面相互作用机理等各方面的不断研究和探讨，低温等离子体技术得到了迅速地发展和更广泛的应用。等离子体的粒子模拟方法，可以利用计算机模拟大量的带电粒子的微观运动，再对这些微观粒子进行统计平均得到宏观的特性和运动规律。等离子体的粒子模拟方法是考虑等离子体的带电粒子运动最齐全，最能够反映实际等离子体运动的方法。在某种程度上，等离子体的粒子模拟方法可以取代实验的研究方法。因此，等离子体的粒子模拟方法现在已经成为研究等离子体物理的强有力工具。本论文采用等离子体的粒子模拟方法对以下几种等离子体应用技术进行了数值模拟研究：（1）等离子体显示屏放电单元的数值模拟研究：在等离子体显示屏中，放电单元是基本的结构要素，近年来出现了一些新的放电单元结构。比如说WAFFLE型放电单元，它可以把整个等离子体显示屏分成无数的独立的封闭式放电空间。有实验证明WAFFLE型放电单元能够提高放电的发光效率，还能够防止邻近的放电单元的发光混淆。本论文第一部分内容针对WAFFLE型放电单元的新型结构，首次采用二维粒子模拟的方法结合蒙特卡洛碰撞模型对这种封闭型放电单元内的放电过程进行模拟研究，得到了空间电势分布、带电粒子密度的分布和离子入射能量、入射角度分布等参数。模拟结果表明：放电单元采用WAFFLE型介质材料障壁，不会影响整个放电单元内的气体放电性能；相反WAFFLE型介质障壁在某种程度上可以减少介质层被带有能量的离子撞击的机会，从而延长了介质层和整个放电单元的寿命，在整体上看也能提高一定的等离子体显示屏的寿命。本论文还针对等离子体显示屏放电单元在放电过程中出现的条纹现象进行了模拟研究，首次在蒙特卡洛碰撞模型结合二维粒子模拟的方法中考虑到了左右侧介质障壁的厚度对条纹现象的影响，在优化了相关的模拟参数后，模拟出了放电过程中极其清晰的等离子体密度的条纹现象。模拟结果表明：等离子体的条纹现象只发生在阳极区域附近，WAFFLE型障壁可以减弱放电单元内的条纹现象。条纹现象的形成是由阳极表面附近的空间电势分布和表面电荷分布共同作用产生的，特别是表面的电子电荷分布对条纹现象的影响很大。放电空间内空间电势的变化直接影响了带电粒子的分布，正是电势分布的波动使得带电粒子的密度分布也出现了波动。（2）射频（RF）驱动的电容耦合放电等离子体（CCPs）的数值模拟研究：射频电容耦合放电等离子体在等离子体薄膜沉积、等离子体刻蚀、等离子体清洁等方面有广泛的应用，特别是在微电子行业、半导体产业，电容耦合放电更是大规模的被运用到超细刻蚀方面。在通常的单频射频电容耦合放电中，还不能很好的控制放电过程中的等离子体密度和离子能量，放电效率也得不到提高。现在研究比较多的双频电容耦合放电，在放电中使用两种不同频率的工作电源，可以更好的控制放电中电子和离子的能量分布，得到相对较高的等离子体密度。本论文采用一维粒子模拟结合蒙特卡洛碰撞模型的方法，模拟计算了单频和双频电容耦合放电空间内的等离子体密度，离子能量分布等影响放电性能的参量。模拟表明，在双频电容耦合放电中，随着低频射频电源的电压的加大，等离子体的平均密度会下降，等离子体鞘层的宽度会增加，而且离子能量的分布范围也扩大了。随着高频射频电源的电压增大，电容耦合放电空间中的等离子体平均密度上升了；而等离子体鞘层的厚度随着高频电压的升高有所减少。综合比较可知，在双频电容耦合放电中，高频电源可以用来控制放电过程中的等离子体密度，而低频电源可以用来控制放电过程中的等离子体鞘层的宽度和离子能量的分布。（3）等离子体浸没离子注入技术（PⅢ）的数值模拟研究：等离子体浸没离子注入技术是一种新型的表面改性技术，被广泛应用在许多材料的表面改性上。在材料的表面处理改性过程中，一般对改性层中离子的剂量分布均匀性都有较高的要求。因此，对PⅢ待处理的工件进行预测性剂量分析具有十分重要的实用意义。本论文采用二维粒子模拟方法对等离子体离子浸没注入技术进行了模拟研究，在一个完整脉冲时段内，等离子体离子浸没注入平板靶的模拟过程表明：等离子体鞘层的扩展先快后慢，鞘层形状由椭圆柱形向圆柱形演化；注入离子剂量在靶表面的分布是非均匀的；存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。（4）等离子体磁控溅射成膜技术的数值模拟研究：磁控溅射成膜是微电子工业上生成薄膜的主要方法之一，现在微电子行业的增长速度非常快，薄膜制成过程也成为了许多研究者关注的焦点。磁控溅射的计算模拟工作可以优化现实的磁控溅射成膜技术的系列参数。本论文利用二维PIC-MCC模拟模型对磁控溅射等离子体的发生过程进行模拟计算，再通过MC模拟方法模拟薄膜的宏观沉积过程。磁控溅射放电过程的模拟结果表明：带电粒子的密度分布，和磁场的分布有着很紧密的关系；溅射Ar离子的能量分布和溅射角度分布同样和磁场的分布有关系；靶体材料表面的离子流密度分布出现了两个高峰。磁控溅射沉积成膜的宏观模拟结果表明：离子流密度的分布直接影响到了离子撞击到靶体的溅射产额，Ar溅射离子入射到靶体表面引起溅射产额分布曲线中也出现了两个高峰，位置和溅射离子流密度分布曲线中的两个高峰位置相对应；薄膜沉积的均匀性和背景气体气压、靶体-基底间距有很大关系，当背景气体的压强增加时，在基底上溅射沉积的薄膜的沉积速率会下降，沉积均匀度就相对较好，而当靶体-基底间距减小时，在基底上溅射沉积的薄膜的均匀性会变差。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 低温等离子体物理
• 1.1.1 等离子体的定义以及相关重要概念
• 1.1.2 等离子体的产生
• 1.1.3 低温等离子体物理的应用
• 1.1.3.1 等离子体显示屏
• 1.1.3.2 等离子体成膜
• 1.1.3.3 等离子体浸没离子注入 PIII
• 1.1.3.4 等离子体刻蚀技术
• 1.2 等离子体在显示器方面的应用:等离子体显示屏
• 1.2.1 等离子体显示器的简介
• 1.2.2 等离子体显示器的发展历史
• 1.2.3 等离子体显示屏的基本构造
• 1.2.4 等离子体显示屏的计算机模拟
• 1.2.5 国内对于等离子体显示屏的研究情况
• 1.2.6 现在的研究进展和趋势:如何提高等离子体显示屏的放电效率
• 1.3 射频电容耦合放电等离子体
• 1.4 等离子体浸没离子注入（PIII）
• 1.4.1 等离子体浸没离子注入技术的模拟研究
• 1.4.2 等离子体浸没离子注入技术的不足以及研究方向
• 1.5 等离子体磁控溅射成膜
• 1.5.1 等离子体磁控溅射技术的模拟研究
• 1.5.2 等离子体磁控溅射成膜技术的模拟研究方向
• 1.6 本论文的主要研究工作及其意义
• 第二章 等离子体粒子模拟模型及数值求解
• 2.1 等离子体的粒子模拟方法
• 2.2 等离子体粒子模拟的基本思路
• 2.3 等离子体粒子模拟方法的计算流程和常用算法
• 2.3.1 等离子体模拟方法的基本流程及蛙跳算法
• 2.3.2 计算粒子形状的插值方法和线性加权方法
• 2.3.3 Newton-Lorentz运动方程的求解
• 2.3.4 静电模型以及边界条件
• 2.3.5 电势的计算
• 2.3.6 电磁模型中 Maxwell方程的求解
• 2.3.7 电磁模型中的电流参量
• 第三章 PDP放电单元中障壁类型对放电性能的影响
• 3.1 前言
• 3.2 放电单元的结构组成
• 3.3 模拟方法以及相关模拟参数
• 3.4 计算结果和分析
• 3.4.1 放电单元中的电势分布
• 3.4.2 放电单元中的条纹现象
• 3.4.3 带电粒子的密度分布
• 3.4.4 放电单元中介质层上的表面电荷分布
• 3.4.5 放电单元内空间电势分布和密度分布的相互影响
• 3.4.6 放电单元中入射粒子在介质层上的能量分布
• 3.4.7 放电单元中入射粒子在介质层上的入射角度分布
• 3.5 本章小结
• 第四章 PDP中条纹现象的模拟及其发生机理的探讨
• 4.1 引言
• 4.2 等离子体显示屏放电单元的模拟结构及相关模拟参量
• 4.3 模拟结果和分析
• 4.3.1 电势分布
• 4.3.2 带电粒子密度的分布
• 4.3.3 空间电势分布和密度分布的对应关系
• 4.3.4 条纹现象的发生机理
• 4.4 不同介电常数的介质障壁对条纹现象的影响
• 4.5 另外一种材料的障壁对条纹现象的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 射频电容耦合放电等离子体的模拟研究
• 5.1 引言
• 5.2 电容耦合放电等离子体的放电模型
• 5.3 模拟工具及相关模拟参数
• 5.4 单频电容耦合放电模拟结果和分析
• 5.4.1 工作气压的变化
• 5.4.2 射频电源的频率变化
• 5.4.3 射频电源的电压变化
• 5.5 双频电容耦合放电模拟结果和分析
• 5.5.1 低频电源电压的改变对放电性能的影响
• 5.5.2 高频电源电压的改变对放电性能的影响
• 5.5.3 低频电源频率的改变对放电性能的影响
• 5.5.4 高频电源频率的改变对放电性能的影响
• 5.6 本章小结
• 第六章 等离子体浸没离子注入技术的模拟研究
• 6.1 引言
• 6.2 二维等离子体粒子模拟的物理模型
• 6.3 粒子模拟的计算流程
• 6.4 数值模拟结果与讨论
• 6.4.1 等离子体鞘层的扩展
• 6.4.2 入射离子流密度分布
• 6.4.3 入射离子的入射角度分布
• 6.4.4 入射离子的能量分布
• 6.4.5 入射离子的剂量分布
• 6.5 注入离子浓度深度分布研究
• 6.6 本章小结
• 第七章 磁控溅射等离子体的产生和薄膜沉积的模拟研究
• 7.1 简介
• 7.2 磁控溅射等离子体产生的模拟方法
• 7.3 薄膜沉积宏观形貌的模拟
• 7.4 等离子体产生过程的模拟结果
• 7.4.1 磁场分布的示意图
• 7.4.2 平均动能、带电粒子数密度随时间的变化
• 7.4.3 空间电势的分布和等离子体鞘层
• 7.4.4 放电空间内的粒子密度分布
• 7.4.5 Ar离子的能量分布和角度分布
• 7.4.6 靶体表面的粒子流密度分布
• 7.5 薄膜沉积过程宏观形貌的模拟
• 7.5.1 溅射产率
• 7.5.2 不同气压、不同靶/基底间距的薄膜沉积
• 7.6 小结
• 第八章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 博士研究生期间发表的论文