实验室团队在高功率持续辉光放电方面取得重要进展
时间：2020-06-23
| 近日，我课题组团队通过仿真和实验验证相结合的方式，提出高功率持续辉光放电理论与实现方式，依此形成了一种新型磁控溅射放电模式（C-HPMS），同时实现了高速与高离化的特点。 磁控溅射技术是一种广泛应用于多种功能涂层制备的物理气相沉积技术。如今随着应用场景的拓展，工件的服役条件日益严苛，要求工件涂层具备更高的硬度和结合力。对于磁控溅射技术而言，需要通过提高离化率的方式提高沉积粒子能量，进而达到强化涂层致密度和结合力的目的。然而，现有通过瞬时超高功率脉冲获得高离化率的溅射技术存在沉积速率低的问题，阻碍其大范围工业应用。所以开发一种兼顾高离化率个高沉积速率的磁控溅射模式具有重要的研究意义。 鉴于直流放电具有高稳定性与持续放电的特点，本工作提出一种持续的高功率磁控溅射放电模式（C-HPMS），重点分析了持续放电过程中的重要因素热电子和热量，构建出适用于直流放电的整体放电模型，并首次实现不完全依赖实际放电实验的高功率放电特性预测，求出持续放电获得高离化率沉积对应的功率密度。结果表明，对于Al和Cu两种靶材，C-HPMS可以在远低于HiPIMS峰值功率密度（564W/cm2）的条件下（180W/cm2左右）获得相同水平的离化率。同时，C-HPMS放电增加了有效溅射时间，导致金属离子的沉积速率比HiPIMS增加了30倍左右。根据仿真结果，实验室自主设计了放电装备，使用铜靶能达到至少200 W/cm2的功率密度，沉积速率可高达2.4μm/min。随着功率提升，辉光明亮，辉光颜色由白光转换为明亮绿光，金属放电强烈，离化率明显提升。 该研究不仅从理论的角度揭示了持续高功率辉光放电的实现原理和物理本质，而且体系具有普适性，可以推广到更多不同元素，不同气体组分的放电中，是对磁控溅射技术的一个重要推进和发展。相关工作以题为“Modeling and plasma characteristics of high-power direct current discharge”的文章发表在等离子体源领域顶级期刊Plasma Sources Science and Technology上（Plasma Sources Science and Technology, 2020, 29(2): 25016, DOI: 10.1088/1361-6595/ab681c; IF= 4.128）。 |
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