On double-layer and reverse discharge creation during long positive voltage pulses in a bipolar HiPIMS discharge

Abstract

Time-resolved Langmuir probe diagnostics at the discharge centerline and at three distances from the target (35 mm, 60 mm, and 100 mm) was carried out during long positive voltage pulses (a duration of 500 µs and a preset positive voltage of 100 V) in bipolar High-Power Impulse Magnetron Sputtering of a Ti target (a diameter of 100 mm) using an unbalanced magnetron. Fast-camera spectroscopy imaging recorded light emission from Ar and Ti atoms and singly charged ions during positive voltage pulses. It was found that during the long positive voltage pulse, the floating and the plasma potentials suddenly decrease, which is accompanied by the presence of anode light located on the discharge centerline between the target center and the magnetic null of the magnetron's magnetic field. These light patterns are related to the ignition of a reverse discharge, which leads to the subsequent rise in the plasma and the floating potentials. The reversed discharge is burning up to the end of the positive voltage pulse, but the plasma and floating potentials have lower values than the values from the initial part of the positive voltage pulse. Secondary electron emission induced by the impinging Ar+ ions to the grounded surfaces in the vicinity of the discharge plasma together with the mirror configuration of the magnetron magnetic field are identified as the probable causes of the charge double-layer structure formation in front of the target and the ignition of the reverse discharge.

Časově rozlišená diagnostika Langmuirovou sondou byla provedena v centru výboje a ve třech vzdálenostech od terče (35 mm, 60 mm a 100 mm) během dlouhých kladných napěťových pulzů (s délkou 500 µs a přednastaveným kladným napětím 100 V) v bipolárním vysokovýkonovém impulzním magnetronovém rozprašování (HiPIMS) Ti terče (o průměru 100 mm) s použitím nevyváženého magnetronu. Rychlá kamera zaznamenala spektrální snímky emisí světla z atomů Ar a Ti a z jednou nabitých iontů během kladných napěťových pulzů. Bylo zjištěno, že během dlouhého kladného napěťového pulzu se plovoucí a plazmový potenciál náhle snižují, což je doprovázeno přítomností anodového světla nacházejícího se v centru výboje mezi středem terče a nulovým bodem magnetického pole magnetronu. Tyto světelné vzory souvisejí se zažehnutím obráceného výboje, což vede k následnému zvýšení plazmového a plovoucího potenciálu. Obrácený výboj hoří až do konce kladného napěťového pulzu, ale plazmové a plovoucí potenciály mají nižší hodnoty než hodnoty z počáteční části kladného napěťového pulzu. Sekundární emise elektronů vyvolaná dopadajícími ionty Ar+ na uzemněné povrchy v blízkosti výbojové plazmatu spolu se zrcadlovou konfigurací magnetického pole magnetronu jsou identifikovány jako pravděpodobné příčiny vzniku struktury dvojité vrstvy náboje před terčem a zažehnutí obráceného výboje.