PVD和CVD過程中等離子體物理特性混合模擬及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、基于等離子體技術(shù)的物理氣相沉積(Physical Vapour Deposition, PVD)和化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapour Deposition, CVD)是目前低溫制備薄膜材料最常用的方法，等離子體的物理特性對(duì)薄膜沉積速率和薄膜質(zhì)量有直接影響。本文針對(duì)FJL560CI(l)型超高真空磁控與離子束聯(lián)合濺射鍍膜機(jī)和RF-500型化學(xué)氣相沉積鍍膜機(jī)，建立了容性放電等離子體的混合模型，包括波爾茲曼方程，一維流體動(dòng)力學(xué)模型和

2、MC模型，并對(duì)Ar等離子體和CH4等離子體進(jìn)行了求解。另外，設(shè)計(jì)制作了朗繆爾探針、法拉第探針和法拉第離子能量分析器，對(duì)Ar等離子體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并對(duì)混合模型模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。
　　通過求解利用Lorentz近似方法簡(jiǎn)化的波爾茲曼方程分別對(duì)直流穩(wěn)態(tài)電場(chǎng)和射偏電場(chǎng)下Ar等離子體中電子的能量及其分布特性進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明，在高電場(chǎng)時(shí)電子能量呈直線形式的Maxwellian分布，而在低電場(chǎng)時(shí)呈類似拋物線的Druyvesteyn

3、分布，放電壓力對(duì)電子能量分布形式的影響不明顯。湯生放電時(shí)，電子平均能量最大值約為11eV，電子電離率系數(shù)隨電子平均能量的升高逐漸增大，最大電離率系數(shù)在10-14m3s-1量級(jí)。放電壓力為27Pa時(shí)，電子的遷移率系數(shù)和擴(kuò)散率系數(shù)分別為μe≈107m2V-1s-1，De≈690 m2s-1。射頻放電時(shí)，電子平均能量和電離率系數(shù)的變化規(guī)律與湯生放電相同，但電子輸運(yùn)系數(shù)呈明顯的時(shí)空不均勻分布。朗繆爾探針的測(cè)試結(jié)果表明，強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)電子能量呈Maxw

4、ellian分布，隨著放電功率的增大或放電壓力的升高，電子平均能量均逐漸減小。
　　通過求解一維流體動(dòng)力學(xué)模型對(duì)射頻容性Ar等離子體的特性進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明，在ωt≈π/2時(shí)刻接地極板附近和ωt≈3π/2時(shí)刻電源極板附近的鞘層區(qū)域，電場(chǎng)強(qiáng)度較高，鞘層厚度最小，電子平均能量和電子反應(yīng)的電離率系數(shù)也較高，電子密度周期變化劇烈，而離子密度相對(duì)穩(wěn)定。隨著放電壓力升高，等離子體密度增大，鞘層厚度逐漸減小;隨著放電電壓增大，等離子體密度

5、增大，鞘層厚度逐漸增大;隨著自偏壓增大，等離子體密度減小，鞘層厚度逐漸增大。用法拉第探針以電流密度的形式測(cè)試了等離子體密度，結(jié)果表明隨著放電壓力升高或放電電壓增大，離子電流密度增大，亦即等離子體密度增大，與流體動(dòng)力學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果相同，也證明了該模型的正確性。
　　通過MC模型對(duì)射頻容性Ar等離子體中離子入射的能量及其分布特性進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明，放電壓力低時(shí)，高能量離子分布較多，且在高能區(qū)域分布曲線呈雙峰形式，離子入射的角度

6、較小;放電壓力高時(shí)，低能量離子分布較多，能量分布曲線偏向于低能量區(qū)域，且高能峰消失，離子入射角度增大;放電電壓升高，離子能量分布曲線向高能區(qū)域移動(dòng)，能峰之間的距離變長(zhǎng)，角度分布曲線向小角度區(qū)域移動(dòng);隨著自偏壓升高，入射離子的能量增大，能量分布曲線向高能量區(qū)域移動(dòng)，能峰間距變化不大，離子入射角度減小。法拉第離子能量分析器的測(cè)試結(jié)果表明，低放電壓力時(shí)，離子能量較高且在高能區(qū)域呈雙峰形式，高放電壓力時(shí)，離子能量較低且能量分布高能峰消失。

7、>　　根據(jù)CH4等離子體中電子的化學(xué)反應(yīng)將波爾茲曼方程擴(kuò)展，并對(duì)射頻容性CH4等離子體進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明，CH4等離子體中電子能量分布規(guī)律與Ar等離子體相同，即在高電場(chǎng)時(shí)呈Maxwellian分布，而在低電場(chǎng)時(shí)呈Druyvesteyn分布。電子反應(yīng)的電離率系數(shù)和分裂率系數(shù)之和均在10-14m3s-1量級(jí)，放電壓力為18Pa時(shí)電子的輸運(yùn)系數(shù)μe≈600 m2V-1s-1，De≈1300m2s-1。
　　根據(jù)CH4等離子體中電子