工作气压对多脉冲鞘层动力学行为的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)辽宁工业大学理学院 作者:李 义

  分别采用低压非稳态扩散流体模型和碰撞流体模型描述了等离子体浸没离子注入平面靶表面过程中等离子体回复扩散和鞘层演化行为,通过数值求解两流体模型研究了不同工作气压下多脉冲鞘层的时空演化动力学特征。计算结果表明,在连续脉冲作用下,开始几个脉冲内的注入离子流和离子碰撞能量较高,几百微秒内迅速降低并达到一个稳定值。多个脉冲作用后的离子注入参数稳定值比初始一个脉冲内的结果更准确,更具理论指导意义。工作气压对初始等离子体密度分布、注入离子流和离子碰撞能量影响显著。较低的工作气压无论对提高离子注入剂量还是离子碰撞能量都是十分有利的。

  等离子体浸没离子注入(PIII)技术是由Tendys等于1988年提出的一种新型表面改性技术,大量实验证明PIII可以有效地提高金属材料表面的硬度、耐腐蚀性和耐磨性。在PIII过程中,高的负脉冲电压使得靶表面形成等离子体鞘层,离子在鞘层内电势的作用下注入靶。前一个脉冲结束后鞘层随即塌缩恢复成电中性,在脉冲间隔时间里等离子体由密度较高的区域向密度较低的原鞘层区域扩散,这个过程就是鞘层塌缩后的等离子体回复过程。如果时间足够长,原鞘层区域会回复到初始状态,那么每个脉冲内的鞘层动力学行为都将保持一致。而如果脉冲间隔时间过短,使得靶表面附近的等离子体未及时回复,这势必会影响下一个脉冲内的鞘层动力学行为。鞘层的动力学行为对材料表面改性是至关重要的,学者们对PIII过程中鞘层动力学行为做了大量的实验和理论研究。

  这些研究有一个共同点,就是只考虑开始第一个脉冲内的鞘层动力学行为。而PIII过程中脉冲是连续地作用于靶,所以材料表面改性效果实际上由多脉冲鞘层动力学行为决定。该问题已引起了相关学者的关注,研究者们采用了多种计算模型对多脉冲鞘层动力学行为进行理论研究。Wood等采用了PIC模型,但其计算量较大,不便于应用,尤其在考虑离子与中性粒子的碰撞效应的情况下;为了简化计算,最近有学者提出了描述等离子体回复扩散过程的流体模型,但该流体模型只考虑了靶上电势对等离子体的作用,完全忽略了等离子体的双极性扩散行为和碰撞效应,不具有普适性。

  本课题组于2013年提出了更具普适性的低压非稳态扩散流体模型,该模型基于等离子体在较低气压下的双极性扩散机制,假设等离子体在非稳态扩散过程中每一时刻都是准平衡态、准电中性,用Lieberman提出的低压稳态离子迁移率描述离子的瞬时通量,并结合了描述连续离子流的流体运动方程和电子Boltzmann关系。本文应用低压非稳态扩散流体模型和鞘层碰撞流体模型研究了不同工作气压下PIII平面靶的多脉冲鞘层动力学行为,得到了注入离子流和离子碰撞能量等参数在连续脉冲作用下随时间的变化特性,明确了工作气压对这两个主要工艺参数的影响。

  1、模型描述

  下面以平面靶为研究对象进行讨论。在PIII过程中,靶上脉冲负偏压未施加时,等离子体由等离子体源区域不断向靶表面扩散,假设在扩散过程中等离子体源区域内等离子体密度保持不变,等离子体源区域与靶之间为等离子体扩散区域,结构示意如图1(a)所示。当靶上施加脉冲负偏压时,原来的等离子体扩散区域变成了两层,靠近靶的那层为鞘层区域,而靠近等离子体源区域仍为等离子体扩散区域,结构示意如图1(b)所示。

PIII平面靶示意图

图1 PIII平面靶示意图

  3、结论

  本文应用低压非稳态扩散流体模型和鞘层碰撞流体模型研究了工作气压0.5,0.1和0.02Pa下PIII平面靶的多脉冲鞘层动力学行为。计算结果表明,与稳定阶段相比,初始阶段的平均注入离子流和离子碰撞能量相对较高,这种差异会随着工作气压的降低而减小。连续脉冲作用后稳定的注入离子流和离子碰撞能量更具实际指导意义。工作气压对初始等离子体密度分布、注入离子流和离子碰撞能量都有显著影响。工作气压越低,靶附近的初始等离子体密度、注入离子流和离子碰撞能量都越高。例如,工作气压0.5Pa下靶表面等离子体密度、平均注入离子流和平均离子碰撞能量稳定值分别为5.08×1012 m-3,0.08A/m-2和0.3keV,而在0.2Pa下分别增高到1.03×1014 m-3,0.51A/m-2和5.4keV。因此,工作气压在保证能够获得足够高的等离子密度的前提下,其值越低对提高PIII改性效果越有利。

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