高功率脉冲磁控溅射的等离子体特性实验及数值研究

The rapid development of marine resource exploitation needs a novel kind of manufacture technique to prepare high quality wear and corrosion resistant coatings for equipment protection. High power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) with high ionization rate benefits high coating-substrate adhesion, fine and dense structure, smooth surface in coating deposition, which meets the development trend in marine technology. However, the problems in HiPIMS such as low deposition rate, instability, low ionization fraction in the near-substrate region, limit its large scale applications in industry. The basic physical processes and main mechanism leading to these problems have not been clarified clearly, so it’s hard to obtain state of the art of HiPIMS. Therefore, understand the relationship among charged particles, pulsed electric field and magnetic field in HiPIMS and build a simulation model for the discharge processes are the keys to its mature application. This project intends to build a synchronous time resolved online plasma diagnosis system and method to analyze the electromagnetic field distribution properties; focus on the charged particle transportation behaviors in the pulse electromagnetic filed to clarify clearly the basic physical processes and mechanisms in HiPIMS. Finally, combing the gyro-kinetic theory to eject a numerical model for HiPIMS discharge, thus we can provide the theoretical and experimental underlying basis for further industrial applications of HiPIMS.

海洋资源开发利用的快速发展亟需一种新型的高性能耐磨耐蚀防护涂层制备技术。高功率脉冲磁控溅射因其强膜基结合、致密、表面光滑的涂层制备性能适应了这一发展趋势。目前，高功率脉冲磁控溅射存在沉积速率低、放电不稳定、基底区域溅射粒子电离率低等问题，限制了在工业生产上的规模应用。其中溅射粒子的电离和输运过程以及主要物理机制尚不清晰，难以获得理想的HiPIMS沉积状态。阐明HiPIMS中带电粒子、脉冲电场和磁场之间的相互作用关系，建立符合放电过程的模型和模拟方法是其走向成熟应用的关键。本项目拟建立微秒级时间分辨的等离子体在线诊断系统和方法，明晰脉冲等离子体中电磁场的基本分布特性；重点研究带电粒子在电磁场中的输运行为，阐明HiPIMS中的粒子输运的基本过程和主要物理机制；进一步结合回旋动理学理论建立高密度脉冲等离子体的模拟模型，为HiPIMS的工业化应用提供理论依据和实验基础。

围绕HiPIMS工作参数多模式复杂、沉积速率低、放电不稳定等关键技术问题，针对放电状态演变和基体附近等离子体特性不明的关键科学问题，通过时间分辨等离子体诊断系统，揭示其放电状态随电压存在类直流放电、低密度和高密度工作模式。HiPIMS单周期内存在Townsend放电、辉光放电、后辉光及放电湮灭四阶段特征。通过对不同元素靶材溅射电流波形测量，结合分析电流模型阐明了二次电子发射、溅射和电离过程对放电特性的影响。通过光信号采集用准直器的改进，实现基体附近2 cm范围内光发射信号测量，结合考虑级联碰撞项的碰撞辐射模型，定量分析了基体附近的基态溅射原子密度。粒子模拟结果显示较弱的磁场能获得较高等离子体密度，这是因为高磁场条件下电场延伸进放电空间，使得离子返回靶表面的几率增加。电子能量分布函数随电压升高由bi-Maxwell分布转变为Maxwell分布，同时高能离子含量越来越高，但是离子能量分布函数中低能离子的比例不断上升。整体上，通过等离子体实验、分析模型和数值研究相结合的方法，细致研究了HiPIMS靶附近区域和基体附近区域内等离子体的状态和演变过程，从等离子体和放电方向提高了对HiPIMS技术的理解，为HiPIMS技术在表面改性、薄膜制备、金属离子源等方面应用提供了重要的实验和理论基础。项目执行期间，发表学术论文9篇，发明专利5件，国内外会议交流报告6次，培养青年骨干和研究生4名。