双极HiPIMS放电动力学——等离子体电位探针测量

点睛：

双极HiPIMS正脉冲期间，等离子体电位经历A（高电位）、B（近0V）、B/C振荡、C（中等电位）四阶段。低气压0.3Pa、高峰值电流70A、长脉宽55μs条件下，B相持续120μs，靶与基片间电位差达100V，可实现离子加速。空间 mapping 显示B相磁阱内电位高、外区近0V。

引言：

双极HiPIMS在负脉冲后施加正脉冲，旨在将磁阱中残留的金属离子加速推向基片，提升沉积速率和离子辅助效果。然而，正脉冲期间等离子体电位如何演化？何种条件下能形成靶-基片间显著电位差（ΔU≈U₊）以实现离子加速？本文通过发射探针系统测量了不同气压、峰值电流、脉宽及正电压下的等离子体电位，揭示了电位演化的四个阶段，并基于电流平衡理论解释了其物理机制。

解析：

瑞典林雪平大学等离子体与涂层物理部的Michal Zanáška等人采用发射探针和壁探针，以“Dynamics of bipolar HiPIMS discharges by plasma potential probe measurements”为题发表在《Plasma Sources Science and Technology》上，其实验参数如下：

1）靶材：Cu靶，2英寸；2）工作气体：Ar，流量30sccm，气压0.3-1.9Pa；3）电源参数：负脉冲脉宽5-60μs，峰值电流8-70A（对应电流密度0.4-3.5A/cm²），正脉冲电压U₊=0-150V，正脉冲长度400μs，频率约50Hz；4）诊断：发射探针距靶11cm处位于磁阱外，测等离子体电位Uₚ；壁探针偏测离子饱和电流；5）基体：无沉积，仅等离子体诊断。

图1 典型波形——靶电压、靶电流及基片位置等离子体电位

图1a显示0.3Pa、峰值电流48A、有效脉宽55μs、U₊=100V条件下，正脉冲期间等离子体电位（红）分为四相：A相（Uₚ≈Uₜ≈100V）、B相（Uₚ≈0V）、B/C振荡相、C相（Uₚ≈57V）。靶电流（蓝）在A相达-20A，B相趋近0，B/C相振荡，C相约-1.5A。图1b为负/正脉冲过渡细节。关键数据：A→B转变时间tA→B=19μs，B相持续τB=90μs。此时靶-基片电位差ΔU≈100V，是加速离子的理想窗口。

图2 不同气压下的波形对比

气压从0.3Pa增至1.9Pa，A相延长（tA→B从19μs→37μs），B相缩短（90μs→7μs），1.9Pa时B相消失。靶电流A相幅值从-20A降至-3.6A。由此推断低气压有利于形成长B相，实现长时间离子加速。

图3 不同峰值电流下的等离子体电位

峰值电流从8A增至70A，tA→B从35μs降至15μs，τB从0（无B相）增至120μs。高峰值电流70A时B相长达120μs，但A相靶电压因电源限流降至约45V。高峰值电流增强气体稀薄化，降低靶前电子可用性，使电流平衡转向离子限制，触发B相。

图4 等离子体电位空间分布（三英寸磁控管）

图4a-c为B相不同时刻（23、33、55μs）的电位等高线。关键发现：B相时磁阱外区域（扩散区）电位≈0V，而磁阱内（特别是跑道上方）电位仍保持≈100V。这种空间电位梯度可有效加速磁阱内的离子向基片运动。图4d为C相（245μs），出现双电层结构，电位从靶面100V降至扩散区约60V，加速电压有限约40V。

结论与延伸：

1. 双极HiPIMS正脉冲期间等离子体电位分为A（高电位）、B（近0V）、B/C（振荡）、C（中等电位）四相。B相时靶-基片电位差≈U₊，是实现离子加速的理想窗口。

2. 低气压、高峰值电流、长负脉冲有效脉宽有利于缩短A相、延长B相，为离子加速提供充足时间窗口。

3. 基于电流平衡理论，B相的出现是由于靶面可用电子电流低于壁离子饱和电流，迫使等离子体电位降至近0V以平衡电流。气体稀薄化导致电子供给受限是触发B相的关键。

论文DOI：10.1088/1361-6595/ac4b65