The plasma dynamics of high power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) discharges with a tungsten and zirconium targets are studied by applying the ionization region model (IRM). The IRM effectively captures the temporal variations of the species densities as well as the electron energy, providing insights into key discharge parameters such as ionization and back-attraction probabilities and the working gas rarefaction processes. When operating with tungsten target, the discharge current at the cathode target surface is composed of both argon and tungsten ions and the argon ions precede the tungsten ions. The investigations reveal that for tungsten target, an initial peak in the discharge current waveform is primarily due to argon ion bombardment, transitioning to dominance by tungsten ions as the discharge progresses. The model illustrates how tungsten ions increasingly contribute to the discharge current at higher cathode voltages, effectively leading to higher discharge current densities, highlighting changes in ionization and back-attraction probabilities correlating with voltage increases. In case of zirconium target, roughly 2/3 of the discharge current at the cathode target surface is carried by Ar+ ions while only about 1/3 is carried by Zr+ ions. Using the IRM, the substantial effect of electron impact ionization in promoting working gas rarefaction is observed, a critical factor in these discharges, especially pronounced at lower pressures and higher current densities. For HiPIMS discharges with both tungsten and zirconium targets, there are significant contributions from both argon ions and metal ions. This indicates that with both tungsten and zirconium targets the discharges operate on combination of working gas and self-sputter recycling.
Kvik hegðun rafgass í háaflspúlsuðum segulspætum (HiPIMS) með þungsteins og sirkon
skotmörkum eru rannsökuð með því að beita jónunarsvæðislíkani (IRM). Jónunarsvæðislíkanið fangar vel breytingar í þéttleika agna með tíma, sem og orku rafeinda, sem gefur
okkur innsýn í helstu kennistærðir afhleðslunnar eins og líkur jónunnar og líkur á því að jónir
séu dregnar til baka að skotmarkinu, sem og fall í þéttleika vinnugassins. Niðurstöðurnar
sýna að fyrir þungsteinsskotmark, að upphafstoppurinn í afhleðslustraumnum er að mestu
borinn af argon jónum, og samsetning straumsins breytist síðan í það að þungteins jónir
verða ráðandi hleðsluberi síðar í púlsinum. Líkanniðurstöðurnar sýna hvernig þungsteinsjónirnar leggja meira til afhleðslustraumsins þegar spennan á bakskaut afhleðslunnar er aukin,
sem í raun eykur strauminn um afhleðsluna, og dregur fram hvernig jónunarlíkur aukast og
bakdráttarlíkum falla með hækkandi bakskautsspennu. Þegar skotmarkið er þungsteinn þá
samanstendur straumurinn um afhleðsluna af bæði argon- og þungsteinsjónum, og argon
jónirnar birtast á undan þungsteinsjónunum. Hlutfall jóna í flæði agna Fflux er metið vera á
bilinu 7 % fyrir hámarks straumþéttleika 0.33 A/cm2 og hækkar í 34 % við 0.73 A/cm2
, og
þetta hlutfall eykst með aukinn bakskautsspennu. Fyrir sirkon skotmark, er um það bil 2/3
af straumnum um afhleðsluna við yfirborð skotmarksins borinn af Ar+ jónum á meðan um
1/3 er borinn af Zr+ jónum. Fyrir afhleðslur með sirkon skotmarki, sýnir rannsóknin, sem
er staðfest með tilraunum, að hlutfall jóna í flæðinu breytist all verulega, fer frá 25% upp
í 59%, hækkar með hækkandi hámarks straumþéttleika um afhleðsluna. Með því að beita
IRM, sést glögglega mikilvægt hlutverk jónunar argons með árekstri við rafeindir í því að
valda þrýstingslækkun vinnugassins, í þessum afhleðslum, einkum við lágan gasþrýsting og
háan straumþéttleika. Þessu til viðbótar, þá sést með samanburði við tilraunaniðurstöður, sem
fengnar voru með mælingu á Thomson dreifingu, og mælingu á ljósútgeislun, frá afhleðslum
með þungsteinsskotmark að þrátt fyrir að IRM gefi of lág gildi á rafeindaþéttleika og gefi
of há gildi fyrir rafeindahitastig, þá segir það fyrir um hegðan þessara stærða sem fall af
tíma. Þegar á allt er litið, þá sýna þessar niðurstöður að meðalrúmmálslíkanið er er mjög
notadrjúgt í að segja fyrir um þá flóknu hegðun sem finna má í HiPIMS afhleðslum, og að
þær forspár falla vel að því sem hefur sést í tilraunum. Fyrir HiPIMS afhleðslur, með bæði
þungsteins og sirkon skotmörk, er verulegt framlag til straums um afhleðslunnar frá bæði
argon og málmjónum. Þetta þýðir að bæði þungsteins og sirkon afhleðslur gera út á bæði
endurvinnslu jóna vinnugassins og jóna sjálf-spætunar.
