N2Ti微空心阴极放电等离子体阴极溅射模拟.pdfVIP

第30卷第3期 计 算 物 理 V01．30．No．3 CHINESE OFCOMPUTATl0NALPHYSICS 2013年5月 JOURNAL May，2013 文章编号：1001-246X(2013)03-0396-07 N2／Ti微空心阴极放电等离子体阴极溅射模拟 高书侠， 张 素， 孟秀兰， 张连珠+ (河北师范大学物理科学与信息工程学院，石家庄050024) 摘 要：采用MonteCarlo方法模拟N：／Ti微空心阴极放电等离子体阴极溅射过程，其中，氮离子(N：+，N+)轰击阴 极表面采用PIC／MC模型模拟．计算溅射钛原子的热化过程、钛原子的密度及其平均能量分布．结果表明，沿各方 向溅射出的90％金属Ti原子所带的初始能量小于30eV，其散射角主要分布在300和60。之间；溅射Ti原子在离微 空心阴极壁约0．04mm处出现热化极大值． 关键词：微空心阴极放电；阴极溅射；氮等离子体；Monte—Carlo模型 中图分类号：0539 文献标识码：A 0 引言 等离子体溅射在清除阴极材料表面的杂质、薄膜制备和固体材料表面分析技术等领域得到越来越广泛 的应用，同时由于阴极溅射而使固体表面遭到破坏也越来越受到重视．目前大多数的工作是研究单原子Ar 气体中的阴极溅射¨‘2o，但在实际应用中，双原子分子(如0：，N：)的阴极溅射也极为广泛，并有重要的应用 价值．尤其是在N：气等离子体中，从阴极溅射出来的粒子会与氮粒子发生反应生成氮化物．近几年人们对 GaN，TiN等新型氮化材料合成，使得氮气放电阴极溅射越来越受到人们的重视¨。41． Gras．Marti和Valles．Abarcapl用一种简化的解析模型(analyticalmodel)研究了平板辉光放电中阴极溅射 溅射Cu原子的三维轨迹，计算了每次碰撞的散射角及能量损失．轰击靶材的粒子可以是电子、中性粒子或 离子，称为入射粒子．被溅射出来的粒子(简称溅射粒子)大多是中性原子，离开阴极后，它们可能与放电空 间的其他粒子发生碰撞反应．研究溅射原子在放电空间的输运过程及粒子数密度和能量分布是其等离子体 过程重要内容之一． 微空心阴极放电是一种高气压、非平衡、新型的气体放电．它与传统的空心阴极放电相比，具有一些独 特的电光学特性：如放电空间具有高浓度电子和离子、由于圆筒空心阴极面积大且包围着等离子体，溅射作 用强，尤其是可以在小空间形成有效的溅射等¨’7。8I．本文采用三维的MC模型，模拟氮微空心阴极放电氮 离子对阴极靶材钛金属(Ti)的溅射过程．主要计算溅射原子Ti的热化过程及原子Ti密度及能量分布，并分 析影响溅射粒子热化过程的主要因素． 1模型及算法 模拟采用的放电几何和参数参考文献[9—10]，放电空间由圆筒型空心阴极和两个圆盘阳极构成，如图 1，其半径d=0．8mm，长度L=3．2mm，气压P=10Torr，温度T=300K，放电电压V=一300V，两个阳极圆 盘接地． 1．1溅射率 在等离子体中，放电空间的正离子轰击靶材时，平均每个正离子从靶材中溅射出的粒子数，称为溅射率， 收稿日期： 2012—08—27；修回日期：2012—12—28 基金项目： 河北省自然科学基金(A2012205072)资助项目 作者简介： 高书侠(1959一)，女，副教授，主要从事低温等离子体数值模拟研究，E·mail：shuxiaga059@126．corn +通讯作者： 张连珠。E-mail：zhanglianzhu一1@163．COB 万方数据 第3期 高书侠等：N：／Ti微空心阴极放电等离子体阴极溅射模拟 397 用y表示．对于一个入射粒子，取[0，1]之间的随机数与 该粒子的溅射率y比较，如果随机数小于y，则认为从阴极 Z 溅射出了一个Ti原子，取另一个新的随机数