● 摘要
等离子体浸没离子注入(PIII)已广泛应用于材料的表面改性，其应用领域从冶金扩展到半导体、微电子及生物工程等领域。电子聚焦电场增强等离子体浸没离子注入(Enhanced Glow Discharge Plasma Immersion Ion Implantation， EGD-PIII)方法是一种在PIII基础上发展起来的新型离子注入方法。该方法采用空心点状阳极和大面积圆形阴极靶台，利用二次电子的聚焦作用及其与中性粒子的碰撞产生等离子体，不需要额外的离子源设备即可实现稳定的辉光放电。研究EGD-PIII的电子聚焦效应和自持的辉光放电特性对于理解EGD-PIII的放电过程，改善注入效果具有重要意义。本文简单概述了粒子模拟法(PIC)和蒙特卡洛方法，并详细介绍了粒子模拟-蒙特卡洛(PIC/MCC)模型模拟EGD-PIII放电的全过程，包括模型建立，边界条件设置，粒子和电场的权重，节点电势的求解，粒子的运动及碰撞，并总结了模拟中应该注意的问题。分析了二维PIC模型模拟EGD-PIII物理过程的不足，并对PIC算法进行优化。建立了EGD-PIII放电的二维PIC/MCC数值模型，跟踪了带电粒子的在一个脉冲时间内的运动，获得了空间离子总数、电势分布、等离子体密度分布以及注入剂量等信息。模拟结果表明二维PIC/MCC模型能够定性地说明二次电子产生，但还不能完全反映EGD-PIII的自辉光放电特性，注入剂量的分布也与之前的实验结果不太吻合。建立了EGD-PIII放电的三维PIC/MCC数值模型。模拟结果表明三维PIC/MCC模型克服了二维PIC/MCC的缺点，能很好地模拟EGD-PIII的放电特性。在等离子体密度较低时，电子聚焦效应较为明显，能够实现自持的辉光放电。研究了不同的脉冲负偏压和等离子体密度对注入过程及注入效果的影响。