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溅射过程的Monte Carlo方法模拟计算

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天津大学学报 1989年第2期22卷 107-112页

作者：单慧波姜恩永李金锷天津大学物理系

运用Monte Carlo方法对溅射过程进行了模拟计算,其结果清楚地描述了溅射的微观过程,溅射产额的计算值与实验值吻合。

关键词：溅射过程 Monte Carlo 模拟计算

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溅射离子泵阴极板溅射过程的模拟分析

溅射离子泵阴极板溅射过程的模拟分析

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作者：田野东北大学

学位级别：硕士

溅射离子泵又称潘宁泵,是一种广泛用于超高真空系统中的清洁真空泵。溅射离子泵阳极筒空间中的电子在电磁场的作用下与气体分子碰撞发生潘宁放电,正离子轰击阴极溅射出钛原子,并在阳极筒上沉积成膜,对气体进行吸附,从而达到抽除气体的... 详细信息

溅射离子泵又称潘宁泵,是一种广泛用于超高真空系统中的清洁真空泵。溅射离子泵阳极筒空间中的电子在电磁场的作用下与气体分子碰撞发生潘宁放电,正离子轰击阴极溅射出钛原子,并在阳极筒上沉积成膜,对气体进行吸附,从而达到抽除气体的目的。泵腔内没有运动部件,具有结构简单、无油、无噪声、无振动、无需冷剂、使用简单可靠等优点。溅射离子泵经过不断的发展,广泛应用于高能粒子加速器、宇宙空间模拟、电子工业、重离子医疗机等尖端技术的超高真空领域。随着我国尖端科学仪器设备、国家重大工程等对超高真空环境的要求,高性能离子泵的需求量也与日俱增。本文在溅射离子泵抽气单元的场致发射、粒子碰撞、带电粒子运动、潘宁放电等过程理论分析的基础上,采用SRIM2013计算软件,基于蒙特卡罗法对溅射离子泵阴极板的溅射过程进行模拟分析,研究了不同入射条件下,气体离子和反冲靶原子在阴极板中的分布,以及碰撞过程的能量损失、溅射产额和溅出原子状态的变化规律。对不同入射条件的阴极板溅射过程进行模拟分析表明,随着入射离子能量的增大,氮离子在阴极板中的射程和径向深度均增大;随着入射角度的增加,离子射程逐渐减小,而径向深度有所增加。反冲靶原子在阴极板中具有与入射离子相同的规律。与钛阴极板相比,相同入射条件下,钽阴极板中的氮离子和反冲靶原子更贴近阴极板表面分布。氮离子和氩离子以相同条件入射到钛阴极板中时,氩离子具有较浅的射程和径向深度分布,且氩离子入射时,获得较高能量的靶材原子更贴近阴极板表面分布。对不同条件下溅出原子规律进行了模拟分析,可以发现,溅射产额随着入射离子能量的增加而增大;入射角在70°～80°时,溅射产额达到最高;相同入射条件下,氩离子入射时的溅射产额比氮离子的大;钽阴极板的溅射产额比钛阴极板的溅射产额要大。对溅出原子的信息进行了统计分析,溅出原子的角度大多分布在50°～70°左右,随着入射离子角度的增大和入射能量的增加,溅出原子的角度分布向小角度区偏移。溅出原子的能量集中在几十电子伏特范围内,大部分能量损失在级联碰撞之中。根据模拟分析的结果,提出离子泵抽气单元的改进结构。推导出抽气单元的抽速关系式,并与实验测试进行对比验证,误差大部分小于20%,说明其具有较好的适用性,可为国产溅射离子泵的设计优化提供相应的理论支持。

关键词：溅射离子泵溅射过程溅射产额数值模拟实验验证

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溅射过程的理论推导

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微细加工技术 1995年第3期 14-19页

作者：赵光兴杨国光浙江大学现代光学仪器国家重点实验室

本文通过引入溅射模型，对溅射过程进行了推导与计算，得到溅射速率的解析式，与Ｒｏｌｅ等人所得公式比较表明，本文所得公式能更好地描述溅射过程。并且表明，选择合适的入射离子参数（入射能量和入射角），可以减小溅射损伤。

关键词：离子束溅射溅射溅射过程

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偏滤器材料溅射过程的数值研究(英文)

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中国核科技报告 2003年第1期 251-260页

作者：邓柏权彭利林严建成黄锦华 610041 核工业西南物理研究院核工业西南物理研究院成都

为了估计一些偏滤器材料的腐蚀速率,应用一种描述溅射物理过程的新方法,基于离子输运的双群模型计算了一些偏滤器材料:钼、钨和锂在聚变带电粒子H+,D+,T+和He++的轰击下的溅射产额,并与 Monte-Carlo 方法计算得到的结果作了比较。这些... 详细信息

为了估计一些偏滤器材料的腐蚀速率,应用一种描述溅射物理过程的新方法,基于离子输运的双群模型计算了一些偏滤器材料:钼、钨和锂在聚变带电粒子H+,D+,T+和He++的轰击下的溅射产额,并与 Monte-Carlo 方法计算得到的结果作了比较。这些结果对估计面对等离子体的部件寿命和分析聚变堆堆芯等离子体中的杂质水平估计是很有用的。

关键词：偏滤器材料溅射过程数值研究

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圆平面磁控溅射装置的电磁场仿真及设计

圆平面磁控溅射装置的电磁场仿真及设计

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作者：李梦飞陕西理工大学

学位级别：硕士

磁控溅射镀膜技术以基板沉积温度低、溅射速率高、薄膜质量好等优点被广泛应用。但溅射靶源作为镀膜设备的核心,一直存在靶材表面水平磁场分布不均,冷却系统换热效率低以及膜厚均匀性差等问题。针对这些问题,本文在现有研究的基础上,设... 详细信息

磁控溅射镀膜技术以基板沉积温度低、溅射速率高、薄膜质量好等优点被广泛应用。但溅射靶源作为镀膜设备的核心,一直存在靶材表面水平磁场分布不均,冷却系统换热效率低以及膜厚均匀性差等问题。针对这些问题,本文在现有研究的基础上,设计出一种靶材利用率较高的圆平面靶源。研究工作如下:（1）理论方法分析及初始模型建立。结合圆平面磁控溅射靶的工作特点,首先,对气体直流辉光放电反应的原理以及内部微观机理进行阐述,建立辉光放电模型;其次,依据磁控溅射磁场的作用,建立数学模型;最后,对溅射过程和冷却系统等相关理论进行深入分析,建立初始模型,为后续研究提供理论依据。（2）施放电过程仿真。本文运用COMSOL 6.0软件对直流辉光放电模型进行仿真,分析不同靶基距、工作压力及工作功率的电子密度分布,研究结果表明:靶基距为80mm、反应腔内工作压力为6Pa、功率为100W时等离子体分布理想;进一步对该条件下的氩离子、氩稳态粒子、电子温度、电场及电势纵、横方向的分布进行分析。（3）磁场设计仿真。为提高靶面水平磁场分布均匀度,提高靶材利用率,本文运用COMSOL 6.0软件对靶源的磁铁、导磁片、极靴、磁轭等进行设计分析,得到高均匀度的靶面水平磁场分布。研究结果表明:当内外磁环高度为0mm、内外磁铁直径比为4.0倍;磁铁与靶材间距为13mm;极靴形状为三角形厚度为7mm;导磁片以外磁铁内边缘为起始点,向内延伸15mm、厚1mm时,在42.9m T到45.9m T范围内的水平磁场分布可占整个靶面的54%左右。进一步研究表明:取3m T作为计算标准,在最佳溅射磁场范围的区域占比高达70%左右,较原结构提升近5倍。（4）溅射过程及冷却系统仿真。为提高溅射过程的稳定性,及稳定的工作温度,本文运用SRIM和Fluent软件对溅射过程及冷却系统进行模拟研究。对厚度为50?的单质Al靶,以不同离子入射能,不同入射角进行溅射。研究结果表明:声子能损为70%,估算出Al靶在极限功率密度25W/cm时的发热壁面热流密度为180k W/m。进一步研究表明:当入口水速为1.5m/s时,靶材表面大约80%的区域温度控制在310K以内,最低温度可达到305K以下。

关键词：溅射靶等离子体磁场溅射过程

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磁控溅射不同晶粒度铜靶表面形貌及溅射性能研究

磁控溅射不同晶粒度铜靶表面形貌及溅射性能研究

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作者：王帅康太原理工大学

学位级别：硕士

近年来,以集成电路为主要方向的半导体相关产业得到了较快的发展。集成电路电路技术的进步离不开半导体制造工艺的逐步改进,而磁控溅射技术作为半导体生产制造中的重要环节,其工艺需要不断的完善。靶材作为磁控溅射薄膜的主要物质来源,... 详细信息

近年来,以集成电路为主要方向的半导体相关产业得到了较快的发展。集成电路电路技术的进步离不开半导体制造工艺的逐步改进,而磁控溅射技术作为半导体生产制造中的重要环节,其工艺需要不断的完善。靶材作为磁控溅射薄膜的主要物质来源,其性能直接影响所镀薄膜的质量。如何通过改变靶材的性能来影响溅射性能乃至镀膜的质量,一直是真空镀膜领域关注的焦点。靶材的生产具有多种技术指标,而有关靶材各个指标与靶材溅射性能以及所镀薄膜沉积性能之间关系的研究尚不充分,且单一的指标很难与复杂的溅射与薄膜过程产生直接的联系,这是靶材研究的主要难点。本文针对不同晶粒度及表面形貌的铜靶以及铜试块,研究了靶材晶粒度对溅射形貌、溅射时靶电压、溅射产额乃至薄膜的厚度分布及结晶情况的影响,探究了铜原始表面与溅射过程中的表面形貌及其变化之间的关系,建立了靶表面形貌和溅射性能之间关系,为靶材生产过程中晶粒大小以及表面粗糙度的选择提供依据。研究发现靶材晶粒度会显著影响靶表面的溅射形貌以及粗糙度,30μm靶材溅射形貌粗糙度为5.6μm,表面较为致密,150μm的靶材溅射形貌粗糙度为8.5μm,且更疏松。而且,靶材表面的形貌会明显影响溅射时相同靶电流下的靶电压乃至I-V特性曲线。靶材原始表面轮廓的平均峰间距越小的靶具有越高的靶电压,当平均峰间距为27.2μm时,靶电压为490 V,当平均峰间距为100.0μm时,靶电压为420 V,这是因为平均峰间距越小,靶表面对Ar轰击产生的二次电子的再补获作用越强,实际出射靶表面的二次电子产额越低,需要更高的靶电压来维持相同的靶电流。研究还发现靶表面晶粒的溅射机理主要为晶界优先溅射。靶表面晶粒的初始溅射主要发生在晶界,形成晶粒周围的溅射刻蚀斜坡,随着溅射晶界逐渐向晶内扩展,最后晶界刻蚀形成的斜坡面相交于一点,形成锥形凸起。继续溅射刻蚀,凸起的体积将继续减少,直至消失并露出下方晶粒。靶的原始表面形貌也会影响靶的溅射过程。对于原始磨削表面,由于表面缺陷较多,溅射后表面形成大量的凸起,这些凸起需要相对较长时间的400 s溅射才能刻蚀至基本消失,使毛胚铜块的磨削表面变为充分溅射的形貌。对于抛光的铜试块,溅射后表面只形成少量的细小凸起,这些凸起只需较短时间的150 s溅射就能完全被刻蚀而消失,形成和磨削表面被充分溅射之后相同的溅射形貌。在不同晶粒度和表面粗糙度的靶材的镀膜研究中,发现靶材晶粒度对溅射产额的影响较小,且主要通过影响相同靶电流下的靶电压来影响溅射产额。靶材晶粒度对薄膜厚度分布的影响较大,理想的平直靶表面在基片正对靶中心的位置沉积率最高,但实际镀膜中由于靶溅射表面轮廓起伏较大,在此位置沉积率并不一定最高,但基本符合理想平直靶的沉积位置偏心距越大沉积率越低的规律。所镀薄膜的结晶情况与薄膜厚度关系不大,而与沉积的位置有关,偏流越小的位置薄膜晶粒越小。

关键词：磁控溅射靶材表面形貌靶电压溅射过程薄膜厚度分布

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离子溅射在物质微观组织结构研究中的应用

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物理 1984年第7期 410-414页

作者：程鹏翥中国科学院物理研究所

离子溅射自 1852年被 Crove[1]研究以来,至今已发展成为一种用途颇广的技术.如清洁固体表面、溅射淀积薄膜、制作微电子线路、加工光学器件、侵蚀金相样品及制作透射电子显微镜薄箔样品等.后两者现已成为研究物质微观组织结构的手段之一... 详细信息

离子溅射自 1852年被 Crove[1]研究以来,至今已发展成为一种用途颇广的技术.如清洁固体表面、溅射淀积薄膜、制作微电子线路、加工光学器件、侵蚀金相样品及制作透射电子显微镜薄箔样品等.后两者现已成为研究物质微观组织结构的手段之一.四十年代末,有人用溅射法侵蚀锻件的“流线”,五十年代初,溅射法已被用来制备透射电镜样品.1960年Paulus和Reverchon[2]用装有离子枪的装置,制备锰铁氧体簿箔,观察到堆垛层错,使溅射法制备样品的技术得到巨大的进展. 溅射法制备透射电镜样品的方法,是利用离子的轰击作用将样品光滑地减薄至出现一个或数个孔,在孔的周围有能透过电子的区域.此方法的优点是使所有材料都可减薄,如橡胶,多孔陶瓷、矿物、塑料、生物制品,多相材料等.它还可以制备一些特殊的样品,如金属的裂缝、小颗粒及碎片等,上述某些材料是很难用别的方法制备样品的.这种溅射减薄过程的择尤侵蚀现象不如其它方法显著,样品表面的清洁程度也优于其他方法,制样的成功率也颇高.此外,对性质差别很大的材料它们的制样操作参量变化范围很小,而电解抛光和化学抛光的方法和操作参量的选择却复杂得多.若使用不同于减薄作用的溅射条件,样品表面将产...