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.     

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.     

外扩型电磁场控制筒形阴极内等离子体放电输运特性的仿真研究

筒形阴极由于具有向内放电的特性,可改善高功率脉冲磁控溅射技术放电不稳定、溅射材料离化率差异大等缺陷.然而其产生的等离子体仅能依靠浓度差扩散的方式向基体运动,沉积速率并没有明显改善,尤其是在远离阴极区域.使用外扩型磁场对离子运动进行引导,可实现等离子体的聚焦和远距离输运,从而减少离子损失,提高沉积效率.本文从模拟和实验的角度对磁场的布局与设置进行研究,并获得不同磁场条件下的等离子体空间和时间输运特性及其对薄膜沉积的影响.结果表明电磁场的引入不仅可以大幅提高筒形阴极内等离子体的引出效率,实现不同程度的引出或聚焦,而且对等离子体放电也产生明显的增强或减弱,可根据不同的需求或材料进行精确调控.通过控制磁场,可获得较强的Hi PIMS放电和较高的沉积速率,实验结果与仿真预测相符合.该工作完善了Hi PIMS沉积技术在沉积效率上的不足,拓宽了筒形阴极的溅射工艺窗口和适用范围,有助于Hi PIMS更进一步的推广与应用.     

筒内高功率脉冲磁控放电的电磁控制与优化

高功率脉冲磁控溅射(Hi PIMS)技术被提出以来就受到广泛关注,其较高的溅射材料离化率结合适当的电磁控制,可产生高致密度、高结合力和高综合性能的涂层,但其沉积速率低、放电不稳定、溅射材料离化率差异较大.我们设计了一种筒形溅射源,通过对结构的设计优化,利用类空心阴极放电效应,使问题得到解决.然而其靶面切向磁场不均匀,电子逃逸严重,进而造成等离子体密度偏低,且放电不均匀.本文通过对其放电和等离子体分布进行仿真,提出电场阻挡和磁铁补偿两种方案,研究了不同电场控制条件下的放电行为和等离子体分布.结果表明:增加电子阻挡屏极可以生成势阱,从而有效抑制电子从边缘的逸出;优化后的磁铁补偿可以显著提高靶面横向磁场的均匀性及靶面利用率.两种方案同时作用时,Hi PIMS放电刻蚀环面积更大、且更加均匀.