磁溅放电的压力依赖性：2D-RZ粒子-in-cell与1D流体建模
等离子体物理
2026-05-22 v1
摘要
我们通过 2D-RZ 粒子-in-cell（PIC）仿真复现了 DC 磁溅放电（DCMS）电压随压力（V-P）关系的实验观察。在 PIC 仿真的启发下，我们发展了基于 1D 轴向流体模型的稳态 sheath 和 presheath 模型，同样复现了该 V-P 依赖性。V-P 依赖性指维持恒定放电电流所需的稳态电压与中性气体压力之间的关系。该 V-P 依赖性是设备性能的基本特征，但此前的仿真未能复现，也未能得到令人满意的解释。本文比较了我们模拟的设备和流体模型的 V-P 曲线与过去实验的关系，然后给出该 V-P 依赖性的理论解释。我们发现电压随压力升高而降低并非由于阴极电子再吸附。相反，恒定电流决定恒定的全局电离率，因此电压降低通过降低等离子体电子能量来补偿中性气体密度的增加，从而降低其电离概率。PIC 仿真还揭示，presheath 和 bulk 等离子体不受阴极电子反射系数的影响；仅当增加反射系数时，sheath 电压和宽度才会降低。除了电位结构，我们还探讨了压力如何影响等离子体密度、粒子漂移和粒子能分布。
引用
@article{arxiv.2509.03664,
title = {Pressure dependence of magnetron sputtering: 2D-RZ particle-in-cell and 1D fluid modeling},
author = {Joseph G. Theis and Gregory R. Werner and Thomas G. Jenkins and Daniel Main and John R. Cary},
journal= {arXiv preprint arXiv:2509.03664},
year = {2026}
}