[发明专利]一种持续辉光放电仿真模型的构建方法、仿真方法

说明书

本发明公开了一种持续辉光放电仿真模型的构建方法、仿真方法，所述仿真模型的构建方法包括步骤：确定放电体系中参与放电的粒子；其中，所述粒子包括离子，中性粒子，冷电子和热电子中的一种或多种；计算放电区域温度，并根据所述放电区域的温度获得中性粒子的扩散通量；和/或计算热电子溢出项，并根据所述热电子溢出项获得热电子平衡方程；根据所述中性离子的扩散通量和所述热电子平衡方程获得所述仿真模型。通过考虑温度和热电子对模型热平衡和动力学平衡的影响改进了整体模型，实现了整体模型对持续辉光放电的仿真。

技术领域

本发明涉及等离子体放电物理技术领域，尤其涉及的是一种持续辉光放电仿真模型的构建方法、仿真方法。

背景技术

在表面改性领域中，溅射技术因为制备的薄膜具有较好的致密度和均匀性，一直受到广泛应用。随着科技和产业发展，磁控溅射技术在原有技术的基础上逐渐发展起来。磁控溅射技术在最早的二级溅射技术的基础上引入了磁场约束，极大地提高了沉积速率，并保持了原有的致密度和均匀性，使得该技术适用于大规模生产。然而，随着装备服役环境越来越苛刻，产业界对膜层的致密度和结合力提出了更高的要求，传统的低功率磁控溅射技术已经不能满足需求。

研究表明，高能量的溅射粒子能够有效地制备出高性能的膜层。与原子相比，离子因为带电具有更好的能量可控性。在工艺流程中可以通过电磁场调控其能量和角度来实现对薄膜结构的有效控制，进而提高其力学性能。因此，提高溅射粒子离化率被认为是进一步改善磁控溅射技术的关键。目前产业中使用的高离化溅射技术主要为高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)、调制脉冲技术(MMS)和深震荡脉冲技术等，其原理都是通过对磁控阴极加载瞬时的高能量密度的脉冲达到提高溅射粒子离化率的效果。然而，脉冲的引入，造成了频繁的打火，严重影响了放电的稳定性，同时脉冲放电的占空比较小也造成薄膜沉积速率低，无法满足工业化大规模生产需求。

相对于脉冲放电，直流放电具有更好的稳定性，其占空比(即放电工作时间)远高于HiPIMS技术，故高功率的直流磁控溅射定能大幅度提高沉积速率。然而，现实中高功率的持续放电会引起靶面温度迅速提高，从而损坏阴极。鉴于此，我们对冷却系统进行了专门设计，开发了大功率磁控阴极，实现了远高于传统直流磁控溅射功率的放电。但现有的实验表征方法时间成本较高，且难以对该阴极的离化率等关键参数进行有效评估，无法对等离子体给出准确的诊断，尤其是在持续放电的条件下。鉴于此，数值模拟计算成为了研究持续辉光放电的最可靠的手段。其中，整体模型仿真方法可以准确计算出磁控溅射放电体系中各组分的浓度变化，并可推导得出离化率的演变趋势，但目前所知的该模型只能对脉冲放电进行仿真，无法适应直流放电，特别是持续辉光放电的条件。

因此，现有的仿真技术还有待于进一步的改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种持续辉光放电仿真模型的构建方法、仿真方法，旨在解决现有技术中无法对持续辉光放电进行仿真的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种持续辉光放电仿真模型的构建方法，包括步骤：

确定放电体系中主要参与放电的粒子；其中，所述粒子包括离子，中性粒子，冷电子和热电子中的一种或多种；

计算放电区域温度，并根据所述放电区域的温度获得中性粒子的扩散通量，构建中性粒子的平衡方程；和/或计算热电子溢出项，并根据所述热电子溢出项获得热电子平衡方程；

根据所述中性粒子的扩散通量和/或所述热电子平衡方程获得所述仿真模型。

所述的持续辉光放电仿真模型的构建方法，其中，所述计算放电区域温度，包括：

通过三维传热场模型计算不同功率下放电区域温度。

所述的持续辉光放电仿真模型的构建方法，其中，所述根据所述放电区温度获得中性粒子的扩散通量，包括：