Effect of magnetic field configuration on double layer formation and reverse discharge ignition in bipolar HiPIMS

Abstract

The reverse discharge (RD) phenomenon in bipolar HiPIMS has been observed when a sufficiently long positive pulse is applied to the magnetron. Due to the magnetic field, electrons accumulated behind the magnetic trap are prevented from reaching the positive target. Consequently, a space charge double layer (DL) is formed between the positive target and the plasma behind the magnetic trap, leading to electron acceleration across the DL and RD ignition. This study reveals the significant impact of the magnetic field configuration on RD ignition. Experiments are performed using a Ti target involving magnetic field variation, wire probe measurements of floating potential, and optical emission spectroscopy imaging. It is found that adjusting the magnetic field to a more balanced configuration leads to earlier RD ignition, while a more unbalanced one delays or even prevents it. Specifically, the time of RD ignition decreases with an increase in the magnetic null point distance from the target. Moreover, the size and shape of optical emission in the RD varies with nearby probe placement, suggesting sensitivity to external electrodes.

Jev obráceného výboje (RD) v bipolárním HiPIMS byl pozorován, pokud je na magnetron aplikován dostatečně dlouhý kladný puls. Vlivem magnetického pole se elektrony nahromaděné za magnetickou pastí nedostanou ke kladnému terči. V důsledku toho se mezi kladným terčem a plazmatem za magnetickou pastí vytvoří elektrická dvojvrstva (DL), což vede k urychlení elektronů přes DL a k zapálení RD. Tato studie odhaluje významný vliv konfigurace magnetického pole na zapálení RD. Experimenty jsou prováděny s terčem z Ti, zahrnují změny magnetického pole, měření plovoucího potenciálu sondou z tenkého drátu a snímání obrazu optické emisní spektroskopie. Bylo zjištěno, že nastavení magnetického pole na vyváženější konfiguraci vede k dřívějšímu zapálení RD, zatímco nevyváženější konfigurace ho zpožďuje nebo mu dokonce zabraňuje. Konkrétně se doba zapálení RD snižuje s rostoucí vzdáleností nulového bodu magnetického pole od terče. Velikost a tvar optické emise v RD se navíc mění s blízkým umístěním sondy, což naznačuje citlivost na vnější elektrody.