07電科電子檔設(shè)計(jì)開題報(bào)告

1、PAGE PAGE 6貴州大學(xué)科技學(xué)院本 科 畢 業(yè) 論 文(設(shè)計(jì)) 開 題 報(bào) 告課題名稱： 磁控濺射中輝光放電特性的模擬研究學(xué)生姓名： 陳 洪 指導(dǎo)教師： 肖清泉 教 學(xué) 部： 工學(xué)部 專 業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 年 級： 2007級 貴州大學(xué)科技學(xué)院教學(xué)科研科制2010 年一、課題來源（選擇其中一項(xiàng)填寫：1.導(dǎo)師指定；2.自選；3.課題指南）1.導(dǎo)師指定；二、課題研究現(xiàn)狀磁控濺射是利用環(huán)狀磁場控制下的輝光放電。濺射鍍膜是基于荷能離子轟擊靶材時(shí)的濺射效應(yīng)，即整個濺射過程都是建立在輝光放電的基礎(chǔ)上，濺射離子都是來源于氣體放電。輝光放電過程是磁控濺射中一個重要部分，輝光放電是在真空度約為零點(diǎn)

2、幾帕到幾十帕的稀薄氣體中，兩個電極加上電壓時(shí)產(chǎn)生的一種氣體放電現(xiàn)象。多年來國內(nèi)外對原子氣體輝光放電內(nèi)粒子行為規(guī)律進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)理論模擬研究工作。在實(shí)驗(yàn)方面，人們已經(jīng)采用了Langmuir探針、光譜、質(zhì)譜、激光誘導(dǎo)熒光等方法對放電反應(yīng)過程及等離子體內(nèi)粒子行為進(jìn)行了研究。復(fù)旦大學(xué)郭釗等人利用飛行時(shí)間質(zhì)譜方法對直流輝光放電條件與離子束成分的關(guān)系進(jìn)行了研究，認(rèn)為在合適的放電電流及氣壓條件下可得到較高的/成分比例。Tabares等人從理論上對典型的輝光放電條件下放電氬離子的能量分布進(jìn)行了分析,并用輝光放電質(zhì)譜儀作了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；金曉林等用準(zhǔn)三維PIC/MCC方法對電子回旋共振放電過程進(jìn)行了模擬，得出了電離過

3、程中微波場形態(tài)和帶電粒子相空間分布等微觀特性。A.Margulis等人利用激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)測得了氮?dú)庵绷鬏x光放電空間的離子沿電場軸向的密度分布，認(rèn)為離子的軸向擴(kuò)散效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其徑向效應(yīng)。盡管很多學(xué)者采用實(shí)驗(yàn)研究的手段對輝光放電進(jìn)行了很多的研究，但由于實(shí)驗(yàn)測量本身的局限性，使得利用實(shí)驗(yàn)方法很難得到大量放電電離過程中的微觀及瞬態(tài)信息，以及這些信息隨時(shí)間的演化。而這些微觀瞬變信息隨時(shí)間的演化在實(shí)際應(yīng)用中至關(guān)重要，比如：放電過程中粒子的輸運(yùn)過程、帶電粒子能量分布等特性，因此有必要對直流輝光放電的電離過程進(jìn)行理論、計(jì)算機(jī)模擬研究。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們不斷利用計(jì)算機(jī)的高速度、大容量來模擬

4、傳統(tǒng)理論與實(shí)驗(yàn)研究非常困難的復(fù)雜瞬變、非線性、大空間尺度等物理問題，其中等離子體是物理發(fā)展中重要的部分，因此計(jì)算機(jī)模擬已經(jīng)成為研究等離子體強(qiáng)有力的重要方法。經(jīng)過眾多學(xué)者的不斷努力，歸納出三種輝光放電模擬方法：流體模型、粒子模型與混合模型。粒子模型包括三種方法：（a）蒙特卡羅方法 (Monte Carlo Collision,簡稱MCC)；（b）粒子模型(particle-in-cell簡稱PIC)；（c）粒子模擬與蒙特卡羅相結(jié)合的方法；MCC方法的突出問題是計(jì)算量非常大，因?yàn)樾枰M大量的粒子才能達(dá)到令人滿意的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。所以，如何減少計(jì)算量成為這種方法的主要問題。而且相對PIC方法，MCC方法

5、不能很精確地描述帶電粒子與電磁場之間自洽的相互作用。張連珠采用氮光放電等離子體快電子和各種重粒子。于威等人建立了一種氮?dú)廨x光放電粒子輸運(yùn)過程的蒙特卡羅模型，他們用這個模型對氮?dú)廨x光放電等離子體陰極鞘層內(nèi)重離子和快中性分子的輸運(yùn)過程進(jìn)行了研究，計(jì)算了陰極鞘層中重粒子和快中性分子的能量分布以及角分布的空間變化趨勢。J.P.Boeuf等人利用一種蒙特卡羅模型研究了氦氣輝光放電達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后外加非一致場對陰極區(qū)域的帶電粒子的影響。他們在處理帶電粒子經(jīng)過碰撞后的能量變化時(shí)采用了以前非碰撞模型中所用的技術(shù)，并利用自建的蒙特卡羅模型討論了陰極降區(qū)域電子的微觀特性，如不同位置處電子的能量分布、角向分布等。PI

6、C方法則是將電子、離子、中性粒子當(dāng)作單獨(dú)的粒子來處理。放電初始，將中性氣體視為背景，均勻分布于放電空間或精確的考慮中性粒子的密度和溫度分布的變化。不同的中性氣體氣壓和外間電壓對直流輝光放電及其生成等離子體特性的影響是人們普遍關(guān)心的問題。為保證放電開始順利進(jìn)行和保持電中性，初始注入相等數(shù)目的電離和粒子，讓其隨機(jī)均勻分布，速度通常由麥克斯韋分布取樣。三、課題的目標(biāo)和意義目標(biāo)：1、掌握磁控濺射的基本原理：電子在電場的作用下，在飛向基片的過程中與惰性氣體原子（本文以為例）發(fā)生碰撞，若電子具有足夠的能量（約為30）時(shí)，由于惰性氣體不產(chǎn)生負(fù)離子，則電離出和一個電子 。電子飛向基片，在電場的作用下加速飛向陰

7、極靶并以高能量轟擊靶表面，使靶材發(fā)生濺射。并以高能量轟擊靶材，使靶材發(fā)生濺射。在濺射粒子中，中性的靶原子或分子沉積在基片上形成薄膜。2、掌握輝光放電現(xiàn)象：輝光放電是在真空度約為0.1Pa一1Pa的稀薄氣體中，兩個電極加上電壓時(shí)產(chǎn)生的一種氣體放電現(xiàn)象。輝光放電的產(chǎn)生機(jī)理是：正離子轟擊陰極，從陰極發(fā)射出次級電子，電子在克魯克斯區(qū)被強(qiáng)電場加速后沖撞氣體原子，使其離化后再被加速，然后在轟擊陰極這樣一個反復(fù)過程。當(dāng)離子和電子相結(jié)合或處在被激發(fā)狀態(tài)下的氣體原子重新恢復(fù)原狀態(tài)時(shí)都會發(fā)光。3、介紹輝光放電的三種模擬方法：流體模型、粒子模型與混合模型。其中粒子模型包括三種方法：（a）蒙特卡羅方法(Monte C

8、arlo Collision,簡稱MCC)；（b）粒子模型 (particle-in-cell簡稱PIC)；（c）粒子模擬與蒙特卡羅相結(jié)合的方法；對磁控濺射中輝光放電的模型進(jìn)行了綜述、總結(jié)和對比，重點(diǎn)描述了輝光放電的模擬模型和方法，闡明了各種模型方法的優(yōu)缺點(diǎn)。4、重點(diǎn)介紹了PIC/MCC的模擬模型及模擬參數(shù)的選取，分別運(yùn)用OOPIC軟件、ANSYS軟件和SRIM軟件綜合了模擬粒子在電磁場中的運(yùn)動特性、磁控濺射中放電空間的磁場分布和靶材的濺射特性。模擬了放電空間的磁場分布、放電平衡后放電空間中的電場和電勢分布、放電平衡后空間電子分布、放電平衡后空間氬離子分布；討論了工作氣壓對放電電流的影響、陰極

9、電壓對放電電流的影響、陰極電壓對放電電流的影響、氣壓對靶面濺射粒子流分布的影響等。意義：隨著等離子體技術(shù)在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)對低氣壓、高密度等離子體源的需求不斷增加，輝光放電簡單易行，而且可以施加很大的功率，輝光放電至今仍被廣泛采用。利用氣體放電產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，可以制造出一般化學(xué)反應(yīng)中難以制造的化合物；在物理方面：利用氣體放電可進(jìn)行金屬熱處理，利用電火花可加工一般機(jī)械加工難以加工的零件；利用陰極濺射原理進(jìn)行鍍膜，制成濺射式抽氣泵，用于真空技術(shù)；在生物方面：利用氣體放電促進(jìn)植物生長和提高產(chǎn)量；在醫(yī)學(xué)上還可以用氧負(fù)離子促進(jìn)人類的健康等。它還可以應(yīng)用于激光、平面等離子體顯示屏等方面。

10、優(yōu)化濺射參數(shù)，提高濺射效率，提高靶材利用率，降低生產(chǎn)成本。四、課題主要內(nèi)容首先介紹磁控濺射中輝光放電的研究現(xiàn)狀、基本理論和模擬方法及其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。其次介紹了磁控濺射中輝光放電的三種模擬方法：流體模型、粒子模型與混合模型。其中粒子模型包括三種方法：蒙特卡羅方法(Monte Carlo Collision,簡稱MCC)；粒子模型 (particle-in-cell簡稱PIC)；粒子模擬與蒙特卡羅相結(jié)合的方法；進(jìn)行了綜述、總結(jié)和對比，重點(diǎn)描述了輝光放電的模擬模型和方法，闡明了各種模型方法的優(yōu)缺點(diǎn)。然后介紹了PIC/MCC的模擬模型及模擬參數(shù)的選取，分別運(yùn)用OOPIC軟件、ANSYS軟件和SR

11、IM軟件綜合了模擬粒子在電磁場中的運(yùn)動特性、磁控濺射中放電空間的磁場分布和靶材的濺射特性等。最后模擬了放電空間的磁場分布、放電平衡后放電空間中的電場和電勢分布、放電平衡后空間電子分布、放電平衡后空間氬離子分布；討論了工作氣壓對放電電流的影響、陰極電壓對放電電流的影響、陰極電壓對放電電流的影響、氣壓對靶面濺射粒子流分布的影響等。五、課題進(jìn)度安排1、2010年11月1日2010年11月19日確定選題并上交題目及提綱。查找資料，并結(jié)合自身實(shí)踐。完成論文開題報(bào)告，并上交給指導(dǎo)老師。2、2011年12月20日2011年12月31日，完成論文任務(wù)書，并上交給指導(dǎo)老師。3、2011年1月1日2011年5月8

12、日前按畢業(yè)論文指導(dǎo)書要求的格式寫好論文，并上交跟指導(dǎo)老師。并根據(jù)指導(dǎo)老師的指導(dǎo)及相關(guān)內(nèi)容對論文進(jìn)行修改。4、2011年5月10日前提交畢業(yè)論文定稿。經(jīng)指導(dǎo)老師確認(rèn)后打印論文并上交。六、主要參考文獻(xiàn)1袁忠才，時(shí)家明，黃勇，等.低溫等離子體數(shù)值模擬方法的分析比較J. 核聚變與等離子體物理，2008，28（3）：278284.2 宮文英. 直流輝光放電電離特性的三維PIC/MCC模擬D. 成都：電子科技大學(xué)，2006.3徐學(xué)基.氣體放電物理M.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，1996，149.4達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊M .第3版,北京：國防工業(yè)出版社，2004，850854.5唐偉忠.薄膜材料制備原理、技術(shù)及應(yīng)

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