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基于大功率直流放电的离化及沉积特性数值模拟研究

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实现溅射粒子的高度离化，对粒子能量控制有重要意义，可使得沉积的涂层具有更高的致密度、均匀性和综合力学性能。目前，高离化的溅射粒子主要使用高功率脉冲的方法来实现，然而，脉冲放电又引起不稳定，沉积速率低等问题。鉴于直流放电的高稳定性与高沉积速率，本文通过模拟的方法探索大功率直流放电实现溅射材料高离化率的可行性。我们首先通过引入热电子扩散和温度效应建立了直流放电的整体模型，对低功率时的直流放电伏安特性实现了完美拟合。之后通过外延的方法得到大功率直流放电的电压电流值，进一步带入全耦合的整体模拟进行等离子体放电仿真，得到了离化区域内等离子体各粒子密度。最后引入电子温度修正建立全粒子全反应耦合的等离子体扩散模型，研究了等离子体中各成分的空间分布及其随放电时间的演化。以Cu和Al放电为例，仿真结果表明，两种靶材分别在功率密度120 W/cm2 和60 W/cm2时等离子体密度达到 1019 /m3 数量级，溅射金属离化率随功率增加而增加，并在一定功率后接近HiPIMS水平，但由于不存在脉冲停顿时间，放电稳定，且其沉积速率提高约一个数量级。