研究背景与意义：磁控溅射电双层是一种近年来在双极高功率脉冲磁控溅射（BP-HiPIMS）放电中发现的一种新型的等离子体电位结构。电双层显著优势在于能够加速HiPIMS负脉冲期间溅射产生的靶材离子，增加其本身能量，对不具备偏压条件的绝缘基体表面产生轰击与沉积。目前，对于磁控溅射装置中电双层的放电机制探索还比较缺乏，研究其基本结构特性可以对电双层调控离子能量与通量提供指导，并对其放电结构和稳定性提出优化方法。
理论与技术途径：本文采用全面的等离子体测量系统（如图1a）地研究了磁控溅射装置中DL放电的结构特征。磁控溅射II型磁场放电图像显示，DL有两种类型，分别为中心液滴形状和边缘区域形状。理论分析DL形状宏观不稳定性应与等离子体沿靶跑道上方磁场扩散有关，其中DL边界电场与磁场平行时稳定。对放电参数的研究发现较高的电压和气压会使气体的电离程度增加，电子温度降低，离子通量增加，进一步增加电压时液滴状DL无法维持并转移到靶边缘区域。为了提高DL形状的稳定性，进一步优化磁场结构（如图1b-c），产生稳定的蘑菇形DL等离子体（如图2），其DL放电图像的强度梯度分布有效地验证了DL中的等势面必须与磁场平行时其边界稳定，同时蘑菇状DL更大的边界表面积优化了其离子加速通量。
研究成果与价值：本研究发现了以前并未见报道的一种电双层运动转变现象，细致阐述了磁控溅射电双层放电不同放电参数下电场与磁控的分布及其对粒子运动的影响，理论分析了放电参数变化时电双层运动转变的成因及其边界稳定条件。优化磁场配置，产生了更稳定的电双层调控磁控溅射放电离子能量与通量。

图 1 （a）施加正靶电压情况下的磁控溅射放电系统示意图，（b）研究B场对DL结构的影响并使DL稳定的磁体布置示意图。

关键字