双极HiPIMS中铜靶等离子体发射——正脉冲放电的时空光谱特征

点睛

双极HiPIMS正脉冲期间，等离子体发射完全来自Ar，形成“蘑菇状”或“穹顶状”发光区，空间局限于磁阱漏斗区。与单极HiPIMS（负脉冲期间以Cu发射为主）相比，正脉冲改变了放电机制：电子被磁阱耗尽，仅通过靶中心/边缘传输，电离返回的Ar原子，实现离子能量与方向的额外调控。

引言

传统单极HiPIMS因金属离子被回吸至靶面，沉积速率低，通常仅为DCMS的10-20%。双极HiPIMS在负脉冲后施加正脉冲，旨在将残留正离子加速推向基片。然而正脉冲期间的放电机制尚不清晰：电子如何运动？何种离子参与发光？等离子体如何演化？

解析：

捷克马萨里克大学物理电子学系的P Klein等人采用双极HiPIMS技术，以“Temporal, spatial and spectroscopic study of plasma emission on Cu target in bipolar HiPIMS”为题发表在《Plasma Sources Science and Technology》上，其工艺参数如下：

1）靶材：2英寸（50.8mm）圆形Cu靶（99.99%）；2）工作气体：Ar，气压0.3Pa和1Pa；3）电源参数：负脉宽100-110μs，峰值电流50-60A（电流密度2.5-3A/cm²）；正脉宽380μs，电压60-100V；4）基片：无沉积，等离子体诊断。

图1 Case I（0.3Pa，100V正脉冲）的波形与发射光谱

图1a显示了负脉冲100 μs后跟随380 μs正脉冲的波形。等离子体电位在正脉冲初期高达89 V（相A），25 μs后骤降至近0 V（相B），随后在B与C之间振荡，稳定在约55 V（相C）。图1b展示了靶面上方0.3-1.3cm的不同阶段的光谱。负脉冲期间，光谱以Cu原子线为主（如Cu I 324.7 nm、327.4 nm），Ar线很弱。正脉冲期间，无论哪个相，均未检测到Cu发射线，只出现Ar原子线（如Ar I 696.5 nm、750.4 nm）和Ar离子线（Ar II 434.8 nm）。这证明正脉冲放电完全由Ar支撑，Cu不参与发光。

图2 Case I正脉冲期间不同时间的等离子体发射图像（ICCD）

图2a（0μs）：负脉冲余辉，弥散发光。图2b（~5μs）：发光消失。图2c（~24μs）：靶中心出现细“毛细管”状发光柱。图2d（~100μs，相B/C过渡）：演变为“蘑菇状”发光，强度大。图2e（~111μs）：再次出现毛细管状。图2f（~230μs，相C）：发光强度低且弥散。由此推断正脉冲放电仅发生在靶中心及边缘的磁阱“漏斗”区域，电子只能沿磁力线进入靶前，形成局部发光。

图3 Case II（0.3Pa，60V正脉冲）相C期间的多种发射模式

正脉冲电压降至60V后，相C期间等离子体发射模式出现随机多样性。蘑菇状结构可向左或向右倾斜（图3a-d），有时发光出现在靶边缘形成穹顶状（图3e-f）。尽管形貌差异巨大，放电电流和等离子体电位波形几乎完全相同。这表明相C放电是非自持的，其空间模式对初始条件敏感，小扰动即可导致不同的发光路径，反映了磁约束等离子体中的不稳定性。

结论与延伸：

1. 单极HiPIMS（仅负脉冲）以Cu发射为主；双极HiPIMS正脉冲期间发射完全来自Ar，放电机制由电子被磁阱耗尽、仅通过漏斗区传输主导。

2. 正脉冲存在相A（高电位，电子电流）、相B（低电位，离子电流）、相C（中间态）。阶段间可振荡转换，气压和正脉冲电压显著影响各阶段稳定性。

3. 正脉冲放电强度随时间衰减，依赖负脉冲残留电荷载体；Ar返回靶前区域后方可维持电离，为优化双极HiPIMS离子能量和沉积速率提供了物理依据。

论文DOI：10.1088/1361-6595/ace8b8