摘要：本论文针对等离子体基低能离子注入(Plaa-Based Low-Energy Ion Implantation-PBLEII)技术改性金属圆管内表面,提出并建立了基于电子回旋共振(Electron Cyclotron Resonance-ECR)微波等离子体的PBLEII圆管内表面改性系统；利用磁化鞘层碰撞流体模型,模拟计算了磁场作用下离子注入能量、入射角度、注入剂量及鞘层扩展特性；探讨了处理圆管临界半径与等离子体密度、脉冲负偏压、等离子体源半径及工作气压的联系,实现了PBLEII圆管内表面的工艺参数优化；利用进展的低压非稳态扩散流体模型,模拟计算了低脉冲负偏压和等离子体双极性扩散共同作用下,PBLEII圆管内表面脉冲鞘层演化规律及脉冲间隔内等离子体回复特性。旨在通过PBLEII内表面鞘层特性的数值探讨,为制订PBLEII复杂表面改性的技术要求和工艺规范提供论述依据和指导。研发的PBLEII圆管内表面改性装置,主要包括：真空室、线性ECR微波等离子体源、低能离子注入电源、辅助加热源等。线性ECR微波等离子体源由微波源、同轴线波导、接地栅网电极和真空室外磁场线圈构成。在同轴波导外导体上沿螺旋线均匀分布方式开设缝隙辐射窗口,同轴线和栅网电极之间获得由2.45GHz微波源产生的均匀能量微波,在直流线圈产生的0.0875T磁场作用下,产生轴向和周向均匀分布的、密度为101-～1011cm-3的ECR微波等离子体,低能离子注入电源向管壁施加-0.4--2kV的脉冲负偏压,加速管内壁鞘层内的离子,实现低能离子注入。利用离子连续性方程、包含磁场作用的运动方程、Poisson方程和电子Boltzmann联系的磁化鞘层碰撞流体模型,计算了圆管内表面低能离子注入历程中磁场对注入参数的作用和注入参数的轴向均匀性。在等离子体密度1010cm-3、脉冲负偏压-2kV、等离子体源半径2.0cm、工作气压10-2Pa下改性内径6.0cm圆管内表面,0.0875T轴向匀强磁场仅使圆管内部离子注入角度增大0-6°,对内表面改性效果影响较小,在PBLEII圆管内表面鞘层扩展数值计算中可忽略装置外加磁场作用；在远离管端的内表面上离子注入角度小于10°,注入能量在1600eV左右,而在圆管端向管内轴向约2.0cm区域内离子以较大角度10～60°和较低能量400～1600eV注入,离子注入剂量在远离管端处较均匀,注入剂量达到门槛值1017cm-2所需时间约为5.0h,在距管端0.5cm处注入剂量出现峰值,注入剂量达到门槛值10"cm-2所需时间约为3.1h。低能离子注入和热扩散相复合的传质历程中,离子注入剂量决定了改性效果,处理圆管管端附近改性效果较为均匀。利用鞘层碰撞流体模型,计算了PBLEII所能处理的圆管半径与工艺参数的联系,在等离子体密度1010cm-3、脉冲负偏压-0.4--2kV、等离子体源半径1.0～2.0cm、工作气压10-2-10-1Pa下,改性时间10h里可保证内径10.0cm以下圆管获得1017cm-2的门槛值,-0.4--2kV的低脉冲负偏压可实现内径1.0cm圆管的有效注入；脉冲负偏压、等离子体源半径及工作气压是影响处理圆管上限尺寸的主要因素,等离子体密度1010cm-3、脉冲负偏压-2kV、等离子体源半径2.0cm,工作气压10-2Pa下,所能处理圆管内径上限值为26.5cm；脉冲负偏压稳定值和等离子体源半径是影响处理圆管下限尺寸的主要因素,脉冲负偏压-2kV,等离子体源半径0.93cm下,所能处理圆管内径下限值可达1.00cm。采取1010～1011cm-3的较高密度等离子体和-0.4～-2kV的低脉冲负偏压,PBLEII改性小尺寸圆管内表面可得到优异的改性效果。基于等离子体在较低气压下的双极性扩散机制,检测设等离子体在非稳态扩散历程中每一时刻都是准平衡态、准电中性,用Lieberman提出的低压稳态离子迁移率描述离子的瞬时通量,结合描述连续离子流的流体运动方程和电子Boltzmann联系,进展出普适性的低压非稳态扩散流体模型,计算了圆管内表面低能离子注入历程中等离子体扩散对鞘层扩展的作用、等离子体回复规律以及占空比对离子注入剂量的影响,在等离子体密度1010cm-3、电子温度8eV、脉冲负偏压-2kV、脉宽10μs、等离子体源半径2.0cm、工作气压10-1Pa下改性内径6.0cm圆管内表面,等离子体非稳态扩散能推动鞘层扩展,使鞘层尺度在脉冲结束时由1.96cm增大约0.31cm；高电子温度和低工作气压使等离子体的回复历程加速,脉冲结束后仅1.3μs即回复至稳态的95%,且在2.8μs出现了过冲现象,10.0μs以后趋于稳态；离子注入能量受占空比影响很小,高于0.8的占空比导致等离子体不完全回复,但高占空比能大幅提升离子注入效率。占空比为0.3时,平均注入离子流密度仅0.86×104A/cm2,而占空比为0.9时,平均注入离子流密度可达2.60×10-4A/cm2。0.9占空比可使管内壁在10h改性时间里获得5.8×1019cm-2的超高离子注入剂量,提升脉冲负偏压占空比是增加PBLEII圆管内表面改性离子注入剂量的有效途径。关键词：等离子体基低能离子注入论文内表面论文流体模型论文动态鞘层特性论文非稳态扩散论文等离子体回复论文
摘要4-6
Abstract6-11
1 绪论11-39
1.1 等离子体基低能离子注入(PBLEⅡ)原理和技术11-15
1.1.1 等离子体基离子注入(PBⅡ)11-12
1.1.2 PBLEⅡ探讨近况12-15
1.2 内表面改性15-18
1.2.1 内表面薄膜沉积15-16
1.2.2 PBⅡ内表面改性16-18
1.3 PBⅡ鞘层特性18-36
1.3.1 PBⅡ鞘层扩展及论述探讨策略18-24
1.3.2 PBⅡ圆管内表面鞘层特性24-27
1.3.3 PBⅡ脉冲鞘层特性27-36
1.4 本论文探讨目的和探讨内容36-39
1.4.1 探讨目的36-37
1.4.2 探讨内容37-39
2 PBLEⅡ圆管内表面改性装置及其鞘层演化规律39-72
2.1 PBLEⅡ圆管内表面改性39-46
2.1.1 线性ECR微波等离子体源39-43
2.1.2 PBLEⅡ圆管内表面改性装置43-46
2.2 圆管内磁化鞘层演化探讨46-56
2.2.1 磁化鞘层一维碰撞流体模型47-49
2.2.2 工艺参数、边界条件和初始条件49-50
2.2.3 模拟计算结果50-56
2.3 圆管端磁化鞘层演化探讨56-69
2.3.1 磁化鞘层二维碰撞流体模型56-57
2.3.2 边界条件和初始条件57-58
2.3.3 模拟计算结果58-69
2.4 讨论69-70
2.4.1 PBLEⅡ圆管内表面改性均匀性69-70
2.4.2 磁场在PBLEⅡ圆管内表面改性中的作用70
2.5 本章小结70-72
3 PBLEⅡ圆管内表面的工艺参数优化计算72-89
3.1 工艺参数、模型及相关条件72-73
3.2 PBLEⅡ圆管内表面工艺参数优化联系73-79
3.2.1 圆管临界半径73-77
3.2.2 圆管临界半径的影响因素77-79
3.3 讨论79-87
3.3.1 与PBⅡ圆管内表面工艺参数的比较79-85
3.3.2 PBLEⅡ圆管内表面改性技术的特点85-87
3.4 本章小结87-89
4 PBLEⅡ圆管内表面脉冲鞘层特性89-118
4.1 等离子体低压非稳态扩散流体模型89-91
4.2 PBLEⅡ圆管内表面脉冲鞘层演化及等离子体回复规律91-99
4.2.1 模型及相关条件91-93
4.2.2 PBLEⅡ圆管内表面等离子体非稳态扩散行为93-96
4.2.3 脉冲负偏压占空比与离子注入剂量和能量的联系96-99
4.3 讨论99-116
4.3.1 稳态和非稳态扩散浅析中的惯性项及扩散的影响因素99-105
4.3.2 低压非稳态扩散流体模型准确性验证及优势105-113
4.3.3 等离子体扩散在PBLEⅡ圆管内表面改性中的作用113-116
4.4 本章小结116-118
结论118-121
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