07电科电子档设计开题报告

1、PAGE PAGE 6贵州大学科技学院本 科 毕 业 论 文(设计) 开 题 报 告课题名称： 磁控溅射中辉光放电特性的模拟研究学生姓名： 陈 洪 指导教师： 肖清泉 教 学 部： 工学部 专 业： 电子信息科学与技术 年 级： 2007级 贵州大学科技学院教学科研科制2010 年一、课题来源（选择其中一项填写：1.导师指定；2.自选；3.课题指南）1.导师指定；二、课题研究现状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

2、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。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。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

3、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向的密度分布，认为离子的轴向扩散效应远远大于其径向效应。尽管很多学者采用实验研究的手段对辉光放电进行了很多的研究，但由于实验测量本身的局限性，使得利用实验方法很难得到大量放电电离过程中的微观及瞬态信息，以及这些信息随时间的演化。而这些微观瞬变信息随时间的演化在实际应用中至关重要，比如：放电过程中粒子的输运过程、带电粒子能量分布等特性，因此有必要对直流辉光放电的电离过程进行理论、计算机模拟研究。近年来，随着计算机技术的迅猛发展，人们不断利用计算机的高速度、大容量来模拟

4、传统理论与实验研究非常困难的复杂瞬变、非线性、大空间尺度等物理问题，其中等离子体是物理发展中重要的部分，因此计算机模拟已经成为研究等离子体强有力的重要方法。经过众多学者的不断努力，归纳出三种辉光放电模拟方法：流体模型、粒子模型与混合模型。粒子模型包括三种方法：（a）蒙特卡罗方法 (Monte Carlo Collision,简称MCC)；（b）粒子模型(particle-in-cell简称PIC)；（c）粒子模拟与蒙特卡罗相结合的方法；MCC方法的突出问题是计算量非常大，因为需要模拟大量的粒子才能达到令人满意的统计规律。所以，如何减少计算量成为这种方法的主要问题。而且相对PIC方法，MCC方法

5、不能很精确地描述带电粒子与电磁场之间自洽的相互作用。张连珠采用氮光放电等离子体快电子和各种重粒子。于威等人建立了一种氮气辉光放电粒子输运过程的蒙特卡罗模型，他们用这个模型对氮气辉光放电等离子体阴极鞘层内重离子和快中性分子的输运过程进行了研究，计算了阴极鞘层中重粒子和快中性分子的能量分布以及角分布的空间变化趋势。J.P.Boeuf等人利用一种蒙特卡罗模型研究了氦气辉光放电达到稳定状态后外加非一致场对阴极区域的带电粒子的影响。他们在处理带电粒子经过碰撞后的能量变化时采用了以前非碰撞模型中所用的技术，并利用自建的蒙特卡罗模型讨论了阴极降区域电子的微观特性，如不同位置处电子的能量分布、角向分布等。PI

6、C方法则是将电子、离子、中性粒子当作单独的粒子来处理。放电初始，将中性气体视为背景，均匀分布于放电空间或精确的考虑中性粒子的密度和温度分布的变化。不同的中性气体气压和外间电压对直流辉光放电及其生成等离子体特性的影响是人们普遍关心的问题。为保证放电开始顺利进行和保持电中性，初始注入相等数目的电离和粒子，让其随机均匀分布，速度通常由麦克斯韦分布取样。三、课题的目标和意义目标：1、掌握磁控溅射的基本原理：电子在电场的作用下，在飞向基片的过程中与惰性气体原子（本文以为例）发生碰撞，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，则电离出和一个电子 。电子飞向基片，在电场的作用下加速飞向阴

7、极靶并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。并以高能量轰击靶材，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜。2、掌握辉光放电现象：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。3、介绍辉光放电的三种模拟方法：流体模型、粒子模型与混合模型。其中粒子模型包括三种方法：（a）蒙特卡罗方法(Monte C

8、arlo Collision,简称MCC)；（b）粒子模型 (particle-in-cell简称PIC)；（c）粒子模拟与蒙特卡罗相结合的方法；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。4、重点介绍了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软件综合了模拟粒子在电磁场中的运动特性、磁控溅射中放电空间的磁场分布和靶材的溅射特性。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

9、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。意义：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。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。它还可以应用于激光、平面等离子体显示屏等方面。

10、优化溅射参数，提高溅射效率，提高靶材利用率，降低生产成本。四、课题主要内容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。其次介绍了磁控溅射中辉光放电的三种模拟方法：流体模型、粒子模型与混合模型。其中粒子模型包括三种方法：蒙特卡罗方法(Monte Carlo Collision,简称MCC)；粒子模型 (particle-in-cell简称PIC)；粒子模拟与蒙特卡罗相结合的方法；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SR

11、IM软件综合了模拟粒子在电磁场中的运动特性、磁控溅射中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。五、课题进度安排1、2010年11月1日2010年11月19日确定选题并上交题目及提纲。查找资料，并结合自身实践。完成论文开题报告，并上交给指导老师。2、2011年12月20日2011年12月31日，完成论文任务书，并上交给指导老师。3、2011年1月1日2011年5月8

12、日前按毕业论文指导书要求的格式写好论文，并上交跟指导老师。并根据指导老师的指导及相关内容对论文进行修改。4、2011年5月10日前提交毕业论文定稿。经指导老师确认后打印论文并上交。六、主要参考文献1袁忠才，时家明，黄勇，等.低温等离子体数值模拟方法的分析比较J. 核聚变与等离子体物理，2008，28（3）：278284.2 宫文英. 直流辉光放电电离特性的三维PIC/MCC模拟D. 成都：电子科技大学，2006.3徐学基.气体放电物理M.上海：复旦大学出版社，1996，149.4达道安.真空设计手册M .第3版,北京：国防工业出版社，2004，850854.5唐伟忠.薄膜材料制备原理、技术及应

13、用 M .第2版,北京：冶金工业出版社，2005，4851.6 卢志琼. 直流辉光放电的三维PIC/MCC模拟D. 成都：电子科技大学，2005.7王久丽. 氮气直流辉光放电空间等离子体粒子运动行为研究D. 河北：河北大学，2001.8张连珠.+2N离子在氮直流辉光放电中碰撞离解的作用J.物理学报, 2003，52(4)：09200924.9 高峰. 氩气辉光放电阴极鞘层区域微观特性研究D. 成都：电子科技大学，2002.10金晓林，杨中海.电子回旋共振放电的电离特性PIC/MCC模拟(I)物理模型与理论方法J. 物理学报，2007，55（11）：59305934.11邵福球.等离子体粒子模拟

14、M.北京：科学出版社，2002，1129.12邱清泉，励庆孚，苏静静.平面直流磁控溅射放电等离子体模拟研究进展J.真空科学与技术学报，2007，27（6）：493499.13赵华玉. PIC/MCC模拟直流平面磁控溅射D. 辽宁：大连理工大学，2007.14赵新民,狄国庆,朱炎,等.外加磁场对磁控溅射靶利用率的影响J .真空科学与技术学报,2003 , (23) :104106.15关奎之，李云奇.圆形平面磁控溅射靶的设计J .真空，1986 (3)：3644.16 J. Dalla Torre. Microstructure of thin tantalum films sputtered onto inclined substrates: Experiments and atomistic simulationsJ. JOURNAL OF APPLIED PHYSICS.2003,1(94):263270.17Kuwahara K,Fujiyama H.Application of the Child-Langmuir law to magnetron discharge plasmas J.IEEE Transactions on Plasma Science,1994 ,22 (4) :4