Моделирование переноса атомов и ионов в HiPIMS методом частиц: влияние распределения потенциала плазмы на долю ионизированного потока

Представлена трехмерная компьютерная модель разрядов импульсного магнетронного распыления высокой мощности (HiPIMS), основанная на методе частиц и позволяющая моделировать перенос атомов и ионов в разряде, а также соответствующие параметры плазмы. Модель требует задания распределений потенциала плазмы и электронной плотности, которые не рассчитываются самосогласованно; для этой цели были разработаны параметрические аналитические формулы. Численный алгоритм ограничивает модель с использованием экспериментальной формы импульса тока на мишени, благодаря чему результаты моделирования тесно связаны с условиями экспериментального разряда. Моделирование разряда HiPIMS с титановой мишенью демонстрирует возможность рассчитывать пространственные распределения атомов и ионов материала мишени, а также количественно оценивать обеднение рабочего газа. В частности, были определены вероятность возврата ионов и ионизированная доля потока материала мишени на подложку для различных значений разности потенциалов в магнитном предслое перед дорожкой распыления мишени, который отвечает за притяжение большей части ионов плазмы к мишени. Показано, что этот параметр распределения потенциала плазмы существенно влияет на вероятность возврата ионов и поэтому должен быть известен с достаточно высокой точностью для надежного предсказания ионизированной доли потока на подложке. Другие параметры, такие как состав ионного потока на мишень, менее чувствительны. Моделирование может выполняться за достаточно короткое время и легко расширяется путем добавления новых компонентов плазмы, например возбужденных состояний или двукратно ионизированных частиц, а также взаимодействий между ними.