面向复杂求解域的高效粒子网格/蒙特卡罗模型与阳极层离子源仿真

等离子体仿真是研究等离子体放电特性的重要手段,特别是阳极层离子源,其放电结构的几何特性对等离子体特性的作用很难通过实验手段进行系统研究.然而,传统仿真模型一般是针对离子源进行整体建模,离子源的阴阳极几何轮廓形成的复杂求解域,导致模型的计算效率和收敛性较差.鉴于此,将离子源结构仿真与等离子体仿真分离,首先利用磁镜原理将离子源内外阴极大小、形状和相对位置等一系列阴极几何参数简化为磁镜比R_m和磁镜中心磁感应强度B₀两个磁镜参数,并在此基础上,建立了高效粒子网格/蒙特卡罗模型,将收敛时间由1.00μs缩短到0.45μs,大幅提升了计算效率和稳定性.进一步利用该模型系统研究了阳极层离子源放电结构的几何特性对等离子体特性的影响规律,发现R_m=2.50, B₀=36 mT时磁镜对等离子体约束效果最佳,当放电中心的位置与内外阴极间磁镜中心重合时,不仅能够输出高密度离子束流,同时可大幅减少阴极刻蚀,并保证内外阴极的刻蚀平衡.     

闭合磁场的作用原理与布局逻辑

采用非平衡磁控溅射阴极在镀膜区间构建闭合磁场已经成为设计开发磁控溅射真空镀膜系统的通用手段,然而闭合磁场具体的作用对象、作用机制、闭合条件、布局逻辑以及作用效果等仍没有定量的判定标准或设计依据.本文从带电粒子在磁场中的运动出发,推导了真空室内电子与离子运动行为,得出闭合磁场的作用机制,并依此研究了磁控溅射阴极和离子源布局方式对电子约束效果和沉积效率的影响.结果表明,闭合磁场在真空室中主要通过约束电子来约束等离子体,进而减少系统内电子损失;阴极数量和真空室尺寸对闭合磁场的作用效果有重要影响.提出在真空室中央增加对偶离子源,研究了闭合磁场中阴极类型、旋转角度和磁场方向对电子的约束作用,发现当离子源正对阴极相斥或相吸时,真空室内分别形成了局部高密度和均匀连续的两种等离子体分布特征,边缘电子溢出比均低于3%,镀膜区的电子占比相对无对偶离子源时分别提高到53.41%和42.25%.     

筒形溅射阴极的磁场优化及其高功率放电特性研究

基于高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)技术开发的筒形溅射阴极,配合电磁系统可有效地提升等离子体的输运效率.然而电磁系统的引入反作用于筒内放电特性,从而使靶面放电面积和放电强度无法同时维持.鉴于此,本文通过调整磁场布局,研究了靶面切向(横向)磁场和法向(纵向)磁场对靶面放电的作用规律,优化后靶面切向磁场分布更加均匀,磁场强度高于40 mT的靶面区域占比由51%增至67%,同时法向峰值强度外移,强度由73 mT增至96 mT.采用Ar/Cr体系放电发现:相同工艺条件下,优化后的溅射阴极辉光变亮,靶电流增大,放电面积变宽,放电特性得到显著提升.利用等离子体整体模型仿真和发射光谱仪检测发现优化后离子电流和光谱强度得到明显提升,Cr粒子密度提高一倍,增至2.6×10^20 m^–3,且离化率上升至92.1%,同时输出离子通量提高近一倍,实现了靶面放电与离子输出的双促进.     

高压耦合高功率脉冲磁控溅射的增强放电效应

等离子体源离子注入与沉积技术作为一种可生产高结合力、高致密度涂层的真空镀膜技术,具有广阔的应用前景,尤其适用于高载荷工况下服役的功能涂层制备.该技术中金属等离子体源是关键,而现有的脉冲阴极弧源结构复杂,且由于伴随"金属液滴"而需要增加过滤装置.本文研究了另一种简单结构的金属等离子体源备选一高功率脉冲磁控溅射源(HPPMS)的放电特性,采用等离子体发射光谱仪探索了不同的耦合高压对HPPMS放电靶电流特性和等离子体特性的作用.发现耦合高压对HPPMS放电有明显的促进作用,相同靶电压下的放电强度大幅增加,相对于金属放电,耦合高压对气体放电的促进作用更加明显,但在自溅射为主的高压放电阶段对金属放电的促进作用明显增强.讨论了耦合高压对HPPMS放电的增强机制,发现耦合高压自辉光放电、耦合高压和HPPMS电压构成双向负压形成的空心阴极效应,以及耦合高压鞘层改善的双极扩散效应都对HPPMS放电的增强有明显作用.     

高功率脉冲磁控溅射的阶段性放电特征

本文从放电靶电流出发,采用一种新的研究方法,即将靶电流分解为多个代表具体放电特性的特征参数,全面而系统的研究了不同的工作气压条件下,靶电流各特征参数随靶电压的增加而进行的演化.结果发现高功率脉冲磁控溅射技术(HPPMS)放电靶电流在靶电压由低向高增加的过程中,出现靶电流峰值和平台值的交替变化,体现出明显的阶段性放电特征,且不同的放电阶段在不同气压下出现一定的移动,会在测量范围内出现某些放电阶段的缺失.本文还通过等离子体发射光谱对HPPMS放电靶前等离子体测量发现五个不同的放电阶段分别主要对应氩原子、铬原子、氩离子、铬离子和氩、铬高价离子的放电,但不同的放电条件下相邻的阶段会出现一定程度的交叠.