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磁控溅射中辉光放电特性的模拟研究.rar

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    磁控溅射 辉光 放电 特性 模拟 研究
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    科技学院 2011 届本科毕业论文磁控溅射中辉光放电特性的模拟研究专 业: 电子信息科学与技术 指导教师: 肖清泉 学生姓名: 陈洪 学生学号: 072004110462 中国﹒贵州﹒贵阳2011 年 5 月贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 I 页I目 录摘 要 ........................................................................................................................................IIAbstract.....................................................................................................................................III第一章 绪 论 .........................................................................................................................11.1 引言 .............................................................................................................................11.2 磁控溅射中辉光放电的基本知识和基本理论 .........................................................21.2.1 磁控溅射的工作原理 .......................................................................................21.2.1 辉光放电现象 ...................................................................................................31.3 磁控溅射中辉光放电的发展历程 .............................................................................5第二章 磁控溅射中辉光放电的模型综述 .............................................................................72.1 粒子模型 .....................................................................................................................72.1.1 MCC 方法 .........................................................................................................82.1.2 PIC 方法 ...........................................................................................................92.1.3 MCC/PIC 方法 ...............................................................................................102.2 流体模型 ...................................................................................................................102.3 混合模型 ...................................................................................................................112.4 本章小节 ...................................................................................................................12第三章 磁控溅射辉光放电特性的 PIC/MCC 模拟研究 ....................................................133.1 PIC/MCC 模拟的模型描述 .....................................................................................133.1.1 PIC/MCC 的模拟模型 ...................................................................................133.1.2 模拟参数的选取 .............................................................................................143.2 磁控溅射中辉光放电的 PIC/MCC 模拟研究的结果分析 ....................................153.2.1 放电空间中的磁场分布 .................................................................................153.2.1 等离子体电势和电场分布 .............................................................................163.2.2 电子和离子密度分布 .....................................................................................173.2.3 工作气压和阴极电压对放电电流的影响 .....................................................183.2.4 不同阴极电压和工作气压下靶面氩离子流分布情况 .................................203.2.5 靶材刻蚀形貌与实验测量的对照 .................................................................21贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 II 页II结 论 .......................................................................................................................................23参考文献 ...................................................................................................................................24附 录 模拟主程序 ...............................................................................................................25致 谢 .......................................................................................................................................30贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 III 页III磁控溅射中辉光放电特性的模拟研究摘 要辉光放电技术在现代电子产业中有着广泛的应用。人们通过理论分析与计算机模拟对等离子体放电特性进行了一系列的研究。本论文围绕磁控溅射中辉光放电特性展开以下工作:首先介绍磁控溅射中辉光放电的研究现状、基本理论和模拟方法及其在工业生产中的应用。其次对磁控溅射中辉光放电的模型进行了综述、总结和对比,重点描述了辉光放电的模拟模型和方法,阐明了各种模型方法的优缺点。然后介绍了 PIC/MCC 的模拟模型及模拟参数的选取,分别运用 OOPIC 软件、ANSYS 软件和 SRIM 软件综合模拟了粒子在电磁场中的运动特性、磁控溅射放电空间的磁场分布和靶材的溅射特性等。最后模拟了放电空间的磁场分布、放电平衡后放电空间中的电场和电势分布、放电平衡后空间电子分布、放电平衡后空间氩离子分布;讨论了工作气压对放电电流的影响、阴极电压对放电电流的影响、阴极电压对放电电流的影响、气压对靶面溅射粒子流分布的影响等。关键词:磁控溅射;辉光放电;PIC/MCC 模拟贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 IV 页IVThe simulation study of glow discharge characteristicsin the magnetron sputteringAbstractGlow discharge technology in the modern electronics in a wide range of applications. People through the theoretical analysis and computer simulation from the characteristics of plasma to carried on a series of research. This thesis in around magnetron sputtering glow discharge under the characteristics of work: launchFirst introduces magnetron sputtering in the research status, glow discharge in theory and method and its application in industrial production.Secondly to magnetron sputtering glow discharge in the model were summarized, summing-up and comparison, the article mainly describes glow discharge method and the simulation model, expounds the advantages and disadvantages of various model methods. And then introduced the PIC/MCC simulation model and simulation using the parameter selection, respectively OOPIC software, ANSYS software and SRIM software simulation particles in the electromagnetic field integrated the motion characteristics, magnetron sputtering discharges in space of the magnetic field distribution and the target material characteristics such as sputtering. Finally simulated the discharge of the magnetic field distribution and discharge space of the space after discharge balance electric field and potential distribution and discharge balance electronic distribution, after discharge balance space after argon distribution; space Discusses the work pressure to discharge current cathodic voltage to influence, the influence of discharge current, cathodic voltage to the influence of discharge current to the target surface, pressure on the distribution of the sputtering particles.Key Words:magnetron sputtering, glow discharge,PIC/MCC simulation贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 1 页1第一章 绪 论1.1 引言随着磁控溅射产业的迅猛发展,辉光放电等离子技术已成为人们近年研究方向之一。在化学方面:利用气体放电产生化学反应,可以制造出一般化学反应中难以制造的化合物;在物理方面:利用气体放电可进行金属热处理,利用电火花可加工一般机械加工难以加工的零件;利用阴极溅射原理进行镀膜,制成溅射式抽气泵,用于真空技术;在生物方面:利用气体放电促进植物生长和提高产量;在医学上还可以用氧负离子促进人类的健康等。生活中根据气体放电时具有强烈的可见辐射和非可见辐射的特性,研制成功的有电弧灯、霓虹灯、指示灯、荧光灯等,用于照明和电信号指示等。60 年代,利用气体放电原理制成的气体放电器件,比如气体激光器,在激光技术中大显伸手。同时,研制成功等离子体显示器件,用于计算机终端显示。低温等离子体 [1]广泛应用于微电子工业中的材料加工、器件制作等方面。如等离子体表面改性、等离子体化学气象沉积、溅射、以及薄膜沉积等,它还可以应用于激光、平面等离子体显示屏等方面。等离子体作为辉光放电放电的一种类型,在发射光谱分析中用作气体分析的激发光源,对于难激发元素分析也用作激发光源。随着等离子体技术在工业中的广泛应用和快速发展,现代工业对低气压、高密度等离子体源的需求不断增加,辉光放电简单易行,而且可以施加很大的功率,辉光放电至今仍被广泛采用 [2]。获得等离子体的方法和途径有很多种。通常把在电场作用下气体被击穿而导电的物理现象称之为气体放电 [3],由此产生的电离气体叫做气体放电等离子体。按所加电场频率的不同,气体放电可分为直流放电、高频放电、低频放电与微波放电等多种类型。直流辉光放电根据放放电时的特有现象及电中占主导地位的基本过程对气体放电形式可分为汤生放电、电晕放电、辉光放电和弧光放电。低温等离子体化学来说是至关重要的,辉光放电不仅可提供反应活性物种或作为化学反应的介质,而且又能使体系保持非平衡状态,因此在等离子体刻蚀、溅射、等离子体化学气象沉积等许多应用领域。“辉光放电”可以说与“低温等离子体”是同义语。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 2 页21.2 磁控溅射中辉光放电的基本知识和基本理论1.2.1 磁控溅射的工作原理 [4]磁控溅射在辉光放电两极之间引入电磁场,电子受电场加速作用的同时受到磁场的束缚作用,运动不再是近似直线地穿过放电区域,轨迹呈摆线。于是运动路径被大大延长,提高了离化速率,辉光放电区域内的电子浓度和惰性气体离子的数目也得到大大增加,使得到达靶材表面并与之碰撞的离子数目增多,于是溅射速率很高。电子在电场 的作用下,加速飞向基片的过程中与 (本文以 为例)原子发生碰撞,eEArr若电子具有足够的能量(约为 30 )时,由于惰性气体不产生负离子,则电离出eV和一个电子 。电子飞向基体, 在电场 的作用下加速飞向阴极靶并以高能AreE量轰击靶表面,使靶材发生溅射。在溅射过程中,中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜;二次电子 在加速飞向基片时受磁场 的洛仑兹力作用,以摆线和螺旋线2 B状的复合形式在靶表面作圆周运动。该电子 的运动路径不仅很长,而且被电磁场束1e缚在靠近靶表面的等离子体区域内。在该区中电离出大量的 用来轰击靶材,随着Ar碰撞次数的增加,电子 的能量逐渐降低,同时 逐步远离靶面。低能电子 将如图1e 1e1.1 中 那样沿着磁力线来回振荡,待电子能量将耗尽时,在电场 的作用下最终沉积3e E在基片上。由于该电子的能量很低,传给基片的能量很小,使基片温升较低。在磁极轴线处电场与磁场平行,电子 将直接飞向基片。但是,在磁控溅射装置中,磁极轴2线处离子密度很低,所以 类电子很少,对基片温升作用不大。其工作原理如图 1.1e所示。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 3 页3图 1.1 磁控溅射工作原理磁控溅射的基本原理就是电子受电场加速作用和磁场的束缚作用时的同时,运动轨迹不再是近似直线地穿过放电区域,而是呈摆线。运动路径也大大延长,有效的利用电子的能量,同时提高电子对工作气体的电离几率。相比传统的磁控溅射方法具有“低温”和“高速 ”两大特点。由于薄膜的研究和开发对生产的贡献日益增大,磁控溅射技术在不断发展和对新功能薄膜的探索研究获得了迅速的发展,磁控溅射制备的薄膜广泛地应用于节能玻璃、IC 电路器件、信息存储器件、通信器件、表面装饰等方面。1.2.1 辉光放电现象 [5]气体放电的现象是带电粒子和气体基本粒子之间碰撞,以及它们与电极之间相互碰撞的结果。当在两极板加电压以后,电子将获得能量而与中性粒子发生碰撞,碰撞将使中性粒子激发或电离,并逐渐生成等离子体。溅射是指具有一定能量的粒子轰击固体表面( 如靶材),使得固体分子或原子离开固体,从表面射出的现象。溅射镀膜利用核能粒子轰击靶材时产生的溅射效应,使得靶材原子( 或分子)从固体表面射出,在基片上形成膜的过程。磁控溅射镀膜是利用在阴极靶材后放置强力磁铁,对飞向基片的电子产生电磁场作用,使得电子的运动发生偏转,被束缚在靶附近的区域,与作为放电载体的惰性气体(Ar)碰撞,产生辉光放电的过程。所以可以说磁控溅射是基于电磁场作用下的核能粒子轰击靶材时的溅射效应,整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础上。辉光放电是在真空度约为 0.1Pa 一 1Pa 的稀薄气体中,两个电极加上电压时产生的一种气体放电现象。辉光放电的产生机理是:正离子轰击阴极,从阴极发射出次级电子,电子在克鲁克斯区被强电场加速后冲撞气体原子,使其离化后再被加速,然后在轰击阴极这样一个反复过程。当离子和电子相结合或处在被激发状态下的气体原子重新恢复原状态时都会发光。图 1.2 给出直流辉光放电体系模型和形成过程,即两极之间电压随电流的变化曲线。如图 1.2 所示,其中 A 一 B 区称为“无光放电阶段”;B 一 C 区称为“汤森放电阶段” ;C 一 D 区称为“ 过渡阶段” ;D 一 F 区称为“正常辉光放电阶段” ;E 一 F 之间称为“异常辉光放电阶段”;F 一 G 之间为“ 弧光放电阶段”。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 4 页4(a) 直流气体放电体系模(b) 气体放电的伏安特性曲线图 1.2 直流气体放电体系模型及伏安特性曲线辉光放电为低压气体的自持导电过程。在低压气体内引入电场,当外加电压增加到一定的值时,气体发生自持导电过程,放电区内激发态粒子因自发辐射而发光,其光强分布在阴阳电极间呈现有规律的明暗相间分布,按其发光特性,直流辉光放电空间沿阴极到阳极方向大致可以分为八个区域:阿斯顿暗区、阴极辉区、阴极暗区、负辉区、法拉第暗区、正柱区、阳极暗区、阳极辉区。其中阿斯顿暗区、阴极辉区、阴极暗区称为阴极位降区,阳极暗区、阳极辉区称为阳极区。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 5 页5直流辉光放电的不同区域的带电粒子(电子、离子)具有不同的传输行为及存在状态,例如由阴极发射的二次电子在电场的作用下加速向负辉区方向运动时碰撞而损失的能量,导致此区域中存在的电子主要是处于非平衡态。而离子在阴极位降区电场的作用下会加速向阴极方向运动,但是其特有的弹性碰撞及电荷交换碰撞机制决定了它们的能量低于此区域中的快电子,因此为阴极位降区内的离子处于近平衡状态。辉光放电可分为正常辉光放电和异常辉光放电两类。正常辉光放电时,随电流的增大,放电电流可也足以使阴极表面全部布满辉光,阴极辉光面积成比例增大,而电流密度和阴极位降则不随电流变化而变化。在其他条件保持不变时,阴极位降区长度随气体压强成反比。异常辉光放电时阴极表面布满辉光,电流增大时,在利用异常辉光放电来进行溅射镀膜。基片或工作为阳极,要溅射的材料作为阴极靶。溅射出来的粒子,大部分是中性的原子或小的原子团。被溅射出来的粒子常处于激发状态,在离开靶材飞向基片的过程中,会发出其特性光谱,因此在溅射不同的靶材时,会产生不同色泽的辉光。1.3 磁控溅射中辉光放电的发展历程磁控溅射是利用环状磁场控制下的辉光放电。溅射镀膜是基于荷能离子轰击靶材时的溅射效应,即整个溅射过程都是建立在辉光放电的基础上,溅射离子都是来源于气体放电。辉光放电过程是磁控溅射中一个重要部分,辉光放电是在真空度约为零点几帕到几十帕的稀薄气体中,两个电极加上电压时产生的一种气体放电现象。多年来国内外对 Ar 原子气体辉光放电内粒子行为规律进行了大量实验理论模拟研究工作。在实验方面,人们已经采用了 Langmuir 探针、光谱、质谱、激光诱导荧光等方法对放电反应过程及等离子体内粒子行为进行了研究 [6]。复旦大学郭钊等人利用飞行时间质谱方法对直流辉光放电条件与离子束成分的关系进行了研究,认为在合适的放电电流及气压条件下可得到较高的 / 成分比例 [7]。N2Tabares 等人从理论上对典型的辉光放电条件下放电氩离子的能量分布进行了分析,并用辉光放电质谱仪作了实验验证;金晓林等用准三维 PIC/MCC 方法对电子回旋共振放电过程进行了模拟,得出了电离过程中微波场形态和带电粒子相空间分布等微观特性。A.Margulis 等人利用激光诱导荧光技术测得了氮气直流辉光放电空间的离子沿电场轴
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