雙極HiPIMS放電動力學(xué)——等離子體電位探針測量

點睛：

雙極HiPIMS正脈沖期間，等離子體電位經(jīng)歷A（高電位）、B（近0V）、B/C振蕩、C（中等電位）四階段。低氣壓0.3Pa、高峰值電流70A、長脈寬55μs條件下，B相持續(xù)120μs，靶與基片間電位差達(dá)100V，可實現(xiàn)離子加速?？臻g mapping 顯示B相磁阱內(nèi)電位高、外區(qū)近0V。

引言：

雙極HiPIMS在負(fù)脈沖后施加正脈沖，旨在將磁阱中殘留的金屬離子加速推向基片，提升沉積速率和離子輔助效果。然而，正脈沖期間等離子體電位如何演化？何種條件下能形成靶-基片間顯著電位差（ΔU≈U?）以實現(xiàn)離子加速？本文通過發(fā)射探針系統(tǒng)測量了不同氣壓、峰值電流、脈寬及正電壓下的等離子體電位，揭示了電位演化的四個階段，并基于電流平衡理論解釋了其物理機(jī)制。

解析：

瑞典林雪平大學(xué)等離子體與涂層物理部的Michal Zaná?ka等人采用發(fā)射探針和壁探針，以“Dynamics of bipolar HiPIMS discharges by plasma potential probe measurements”為題發(fā)表在《Plasma Sources Science and Technology》上，其實驗參數(shù)如下：

1）靶材：Cu靶，2英寸；2）工作氣體：Ar，流量30sccm，氣壓0.3-1.9Pa；3）電源參數(shù)：負(fù)脈沖脈寬5-60μs，峰值電流8-70A（對應(yīng)電流密度0.4-3.5A/cm2），正脈沖電壓U?=0-150V，正脈沖長度400μs，頻率約50Hz；4）診斷：發(fā)射探針距靶11cm處位于磁阱外，測等離子體電位U?；壁探針偏測離子飽和電流；5）基體：無沉積，僅等離子體診斷。

圖1 典型波形——靶電壓、靶電流及基片位置等離子體電位

圖1a顯示0.3Pa、峰值電流48A、有效脈寬55μs、U?=100V條件下，正脈沖期間等離子體電位（紅）分為四相：A相（U?≈U?≈100V）、B相（U?≈0V）、B/C振蕩相、C相（U?≈57V）。靶電流（藍(lán)）在A相達(dá)-20A，B相趨近0，B/C相振蕩，C相約-1.5A。圖1b為負(fù)/正脈沖過渡細(xì)節(jié)。關(guān)鍵數(shù)據(jù)：A→B轉(zhuǎn)變時間tA→B=19μs，B相持續(xù)τB=90μs。此時靶-基片電位差ΔU≈100V，是加速離子的理想窗口。

圖2 不同氣壓下的波形對比

氣壓從0.3Pa增至1.9Pa，A相延長（tA→B從19μs→37μs），B相縮短（90μs→7μs），1.9Pa時B相消失。靶電流A相幅值從-20A降至-3.6A。由此推斷低氣壓有利于形成長B相，實現(xiàn)長時間離子加速。

圖3 不同峰值電流下的等離子體電位

峰值電流從8A增至70A，tA→B從35μs降至15μs，τB從0（無B相）增至120μs。高峰值電流70A時B相長達(dá)120μs，但A相靶電壓因電源限流降至約45V。高峰值電流增強(qiáng)氣體稀薄化，降低靶前電子可用性，使電流平衡轉(zhuǎn)向離子限制，觸發(fā)B相。

圖4 等離子體電位空間分布（三英寸磁控管）

圖4a-c為B相不同時刻（23、33、55μs）的電位等高線。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：B相時磁阱外區(qū)域（擴(kuò)散區(qū)）電位≈0V，而磁阱內(nèi)（特別是跑道上方）電位仍保持≈100V。這種空間電位梯度可有效加速磁阱內(nèi)的離子向基片運動。圖4d為C相（245μs），出現(xiàn)雙電層結(jié)構(gòu)，電位從靶面100V降至擴(kuò)散區(qū)約60V，加速電壓有限約40V。

結(jié)論與延伸：

1. 雙極HiPIMS正脈沖期間等離子體電位分為A（高電位）、B（近0V）、B/C（振蕩）、C（中等電位）四相。B相時靶-基片電位差≈U?，是實現(xiàn)離子加速的理想窗口。

2. 低氣壓、高峰值電流、長負(fù)脈沖有效脈寬有利于縮短A相、延長B相，為離子加速提供充足時間窗口。

3. 基于電流平衡理論，B相的出現(xiàn)是由于靶面可用電子電流低于壁離子飽和電流，迫使等離子體電位降至近0V以平衡電流。氣體稀薄化導(dǎo)致電子供給受限是觸發(fā)B相的關(guān)鍵。

論文DOI：10.1088/1361-6595/ac4b65