Probe measurements of parameters of dense gasmetallic plasma in the inhomogeneous magnetic field of a planar magnetron discharge
The paper presents measurements of the electron temperature and plasma concentration in both stationary and pulsed operation modes of a longitudinal planar MDC with a magnetically insulated anode in stationary and highcurrent pulsed operation modes with a high-voltage impulse voltage addition. The...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2018 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2018
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/149062 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Probe measurements of parameters of dense gasmetallic plasma in the inhomogeneous magnetic field of a planar magnetron discharge / А.G. Chunadra, К.N. Sereda, I.K. Tarasov // Вопросы атомной науки и техники. — 2018. — № 6. — С. 252-254. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-149062 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Chunadra, А.G. Sereda, К.N. Tarasov, I.K. 2019-02-19T15:02:23Z 2019-02-19T15:02:23Z 2018 Probe measurements of parameters of dense gasmetallic plasma in the inhomogeneous magnetic field of a planar magnetron discharge / А.G. Chunadra, К.N. Sereda, I.K. Tarasov // Вопросы атомной науки и техники. — 2018. — № 6. — С. 252-254. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 51.50.+v, 52.25.Jm https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/149062 The paper presents measurements of the electron temperature and plasma concentration in both stationary and pulsed operation modes of a longitudinal planar MDC with a magnetically insulated anode in stationary and highcurrent pulsed operation modes with a high-voltage impulse voltage addition. The measurements were carried out according to the standard procedure for Langmuir double probes. The obtained volt-ampere characteristics of a double probe show that the electron temperature increases by a factor of two in the pulsed mode of operation of the magnetron in comparison with the steady-state regime, and the density of the pulsed plasma increases by three orders of magnitude. Представлено виміри температури електронів і концентрація плазми як у стаціонарному, так і в імпульсному режимах роботи повздовжньої планарної МРС з магнітоізольованим анодом у стаціонарному та сильнострумовому імпульсному режимах роботи з високовольтною імпульсною добавкою напруги. Виміри проводилися за стандартною методикою для двійних зондів Ленгмюра. Отримані вольт-амперні характеристики двійного зонда показують, що температура електронів збільшується в два рази в імпульсному режимі роботи магнетрона в порівнянні у стаціонарним режимом, а концентрація імпульсної плазми зростає на три порядки. Представлены измерения температуры электронов и концентрации плазмы как в стационарном, так и в импульсном режимах работы продольной планарной МРС с магнитоизолированным анодом в стационарном и сильноточном импульсном режимах работы с высоковольтной импульсной добавкой напряжения. Измерения проводились по стандартной методике для двойных зондов Ленгмюра. Полученные вольтамперные характеристики двойного зонда показывают, что температура электронов увеличивается в два раза в импульсном режиме работы магнетрона по сравнению со стационарным режимом, а плотность импульсной плазмы возрастает на три порядка. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Низкотемпературная плазма и плазменные технологии Probe measurements of parameters of dense gasmetallic plasma in the inhomogeneous magnetic field of a planar magnetron discharge Зондові виміри параметрів щільної газометалевої плазми в неоднорідному магнітному полі планарного магнетронного розряду Зондовые измерения параметров плотной газометаллической плазмы в неоднородном магнитном поле планарного магнетронного разряда Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Probe measurements of parameters of dense gasmetallic plasma in the inhomogeneous magnetic field of a planar magnetron discharge |
| spellingShingle |
Probe measurements of parameters of dense gasmetallic plasma in the inhomogeneous magnetic field of a planar magnetron discharge Chunadra, А.G. Sereda, К.N. Tarasov, I.K. Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| title_short |
Probe measurements of parameters of dense gasmetallic plasma in the inhomogeneous magnetic field of a planar magnetron discharge |
| title_full |
Probe measurements of parameters of dense gasmetallic plasma in the inhomogeneous magnetic field of a planar magnetron discharge |
| title_fullStr |
Probe measurements of parameters of dense gasmetallic plasma in the inhomogeneous magnetic field of a planar magnetron discharge |
| title_full_unstemmed |
Probe measurements of parameters of dense gasmetallic plasma in the inhomogeneous magnetic field of a planar magnetron discharge |
| title_sort |
probe measurements of parameters of dense gasmetallic plasma in the inhomogeneous magnetic field of a planar magnetron discharge |
| author |
Chunadra, А.G. Sereda, К.N. Tarasov, I.K. |
| author_facet |
Chunadra, А.G. Sereda, К.N. Tarasov, I.K. |
| topic |
Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| topic_facet |
Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| publishDate |
2018 |
| language |
English |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Зондові виміри параметрів щільної газометалевої плазми в неоднорідному магнітному полі планарного магнетронного розряду Зондовые измерения параметров плотной газометаллической плазмы в неоднородном магнитном поле планарного магнетронного разряда |
| description |
The paper presents measurements of the electron temperature and plasma concentration in both stationary and
pulsed operation modes of a longitudinal planar MDC with a magnetically insulated anode in stationary and highcurrent pulsed operation modes with a high-voltage impulse voltage addition. The measurements were carried out
according to the standard procedure for Langmuir double probes. The obtained volt-ampere characteristics of a
double probe show that the electron temperature increases by a factor of two in the pulsed mode of operation of the
magnetron in comparison with the steady-state regime, and the density of the pulsed plasma increases by three
orders of magnitude.
Представлено виміри температури електронів і концентрація плазми як у стаціонарному, так і в
імпульсному режимах роботи повздовжньої планарної МРС з магнітоізольованим анодом у стаціонарному
та сильнострумовому імпульсному режимах роботи з високовольтною імпульсною добавкою напруги.
Виміри проводилися за стандартною методикою для двійних зондів Ленгмюра. Отримані вольт-амперні
характеристики двійного зонда показують, що температура електронів збільшується в два рази в
імпульсному режимі роботи магнетрона в порівнянні у стаціонарним режимом, а концентрація імпульсної
плазми зростає на три порядки.
Представлены измерения температуры электронов и концентрации плазмы как в стационарном, так и в
импульсном режимах работы продольной планарной МРС с магнитоизолированным анодом в стационарном
и сильноточном импульсном режимах работы с высоковольтной импульсной добавкой напряжения.
Измерения проводились по стандартной методике для двойных зондов Ленгмюра. Полученные вольтамперные характеристики двойного зонда показывают, что температура электронов увеличивается в два
раза в импульсном режиме работы магнетрона по сравнению со стационарным режимом, а плотность
импульсной плазмы возрастает на три порядка.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/149062 |
| citation_txt |
Probe measurements of parameters of dense gasmetallic plasma in the inhomogeneous magnetic field of a planar magnetron discharge / А.G. Chunadra, К.N. Sereda, I.K. Tarasov // Вопросы атомной науки и техники. — 2018. — № 6. — С. 252-254. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. |
| work_keys_str_mv |
AT chunadraag probemeasurementsofparametersofdensegasmetallicplasmaintheinhomogeneousmagneticfieldofaplanarmagnetrondischarge AT seredakn probemeasurementsofparametersofdensegasmetallicplasmaintheinhomogeneousmagneticfieldofaplanarmagnetrondischarge AT tarasovik probemeasurementsofparametersofdensegasmetallicplasmaintheinhomogeneousmagneticfieldofaplanarmagnetrondischarge AT chunadraag zondovívimíriparametrívŝílʹnoígazometalevoíplazmivneodnorídnomumagnítnomupolíplanarnogomagnetronnogorozrâdu AT seredakn zondovívimíriparametrívŝílʹnoígazometalevoíplazmivneodnorídnomumagnítnomupolíplanarnogomagnetronnogorozrâdu AT tarasovik zondovívimíriparametrívŝílʹnoígazometalevoíplazmivneodnorídnomumagnítnomupolíplanarnogomagnetronnogorozrâdu AT chunadraag zondovyeizmereniâparametrovplotnoigazometalličeskoiplazmyvneodnorodnommagnitnompoleplanarnogomagnetronnogorazrâda AT seredakn zondovyeizmereniâparametrovplotnoigazometalličeskoiplazmyvneodnorodnommagnitnompoleplanarnogomagnetronnogorazrâda AT tarasovik zondovyeizmereniâparametrovplotnoigazometalličeskoiplazmyvneodnorodnommagnitnompoleplanarnogomagnetronnogorazrâda |
| first_indexed |
2025-11-24T15:49:13Z |
| last_indexed |
2025-11-24T15:49:13Z |
| _version_ |
1850848951687708672 |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №6(118)
252 PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2018, № 6. Series: Plasma Physics (118), p. 252-254.
PROBE MEASUREMENTS OF PARAMETERS OF DENSE GAS-
METALLIC PLASMA IN THE INHOMOGENEOUS MAGNETIC FIELD
OF A PLANAR MAGNETRON DISCHARGE
А.G. Chunadra, К.N. Sereda, I.K. Tarasov
V.N. Karazin Kharkiv National University, Kharkiv, Ukraine
The paper presents measurements of the electron temperature and plasma concentration in both stationary and
pulsed operation modes of a longitudinal planar MDC with a magnetically insulated anode in stationary and high-
current pulsed operation modes with a high-voltage impulse voltage addition. The measurements were carried out
according to the standard procedure for Langmuir double probes. The obtained volt-ampere characteristics of a
double probe show that the electron temperature increases by a factor of two in the pulsed mode of operation of the
magnetron in comparison with the steady-state regime, and the density of the pulsed plasma increases by three
orders of magnitude.
PACS: 51.50.+v, 52.25.Jm
INTRODUCTION
Currently among the ion sputtering systems in thin-
film technology, the so-called high-power pulse
spraying (HiPIMS - High Power Impulse Magnetron
Sputtering). The bottom line is to take advantage of the
evaporation and spraying method in one process. It is
known that the sputtering takes no more than 15 % of
the energy flux of the ion bombarding ions, and the
remainder causes the target to be heated up to the
melting point. In addition to physical sputtering, the
flow of matter is formed due to a vaporized substance.
This significantly increases the rate of deposition of
coatings, and also improves the adhesive properties of
films. In high-power sputtering, the principle is the
same, the only difference is that, because of the large
pulse power densities, the fraction of ionized atoms in
the flow sharply increases (from 5% in systems with a
classical magnetron to 60...80%), which also
significantly affects surface morphology and the
crystallization form of the synthesized coatings. The
energy spectrum of ions coming from the discharge
plasma to the target cathode determines the sputtering
coefficient of the target material and, consequently, the
performance of such devices.
In the model of magnetron sputtering for a plasma of
a certain composition, its state is determined mainly by
the electron temperature and the plasma concentration,
and these two parameters are affected by the discharge
power, gas pressure, discharge current density,
displacement, etc.
In paper [1], a thousandfold increase in the
sputtering rate of the MDC target and the mass transfer
of metal to the sample under study was experimentally
obtained with a combined stationary-pulsed discharge
regime in comparison with the steady-state regime.
However, the reasons for such a significant increase in
the efficiency of the sputtering process of the target
remained unclear.
This work is devoted to measurements of the
electron temperature and ion density both in the
stationary and pulsed modes of operation of the
longitudinal planar MPC with a magnetically insulated
anode in stationary and pulsed operation modes with an
additional pulsed high-current high-voltage power
supply [1-3]. The measurements were carried out
according to the standard procedure for Langmuir
double probes [4].
1. EXPERIMENTAL EQUIPMENT
In Fig. 1 presented a block diagram of an installation
for studying the discharge parameters by a double
Langmuir probe. The experiments were carried out at a
facility of the type NNV-6.6-I1, modernized for the
purpose of using a planar MSS with a copper sputtering
target of size (45×180) mm2.
Fig. 1. Block diagram of the installation for studying
the plasma parameters by the Langmuir double probe:
1 – vacuum chamber; 2 – vacuum pumping; 3 – MSS;
4 – probe; 5 – gas inlet; 6 – vacuum sensor;
7 – magnetron power supply; 8 – switching power
supply; 9 – power supply of the probe
The magnetic field of the arch configuration above
the target surface was created with the help of
permanent magnets located under the target. An
additional arched pre-anode magnetic field was also
created by a system of permanent magnets located on
the anode magnetic circuit [3]. The working pressure in
1
2
3
4
5 6
7
8
9
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №6(118) 253
the chamber was set at a level of 5∙10-3 Torr and was
ensured by the continuous discharge of the working gas
(argon) directly into the discharge region. A pulsed
power supply unit of a capacitive type with a thyristor
switch ensured the supply of a single pulse of a voltage
of 3 ms duration and an amplitude of up to 1.5 kV to the
cathode-anode gap. Power supply of probes, MPC and
pulse block was carried out through a separation
transformer, which ensured reliable isolation on the
power circuits and protection against spurious signals.
To determine the temperature and concentration of
electrons in magnetron discharge plasma, a double
Langmuir probe was used, which consisted of two
cylindrical tungsten pins 3 mm in length, 0.5 mm in
diameter each. The distance between the pins was 3 mm.
The probe was located perpendicular to the target
surface at a distance of 120 mm from it.
The reliability of probe measurements was provided
by monitoring the discharge current at a high voltage
pulse with the help of Rogowski's belt. At the same
time, an oscillogram of the potential of the Langmuir
probe was recorded in the pulsed mode of the
magnetron discharge against the background of the
stationary voltage applied to the probe. According to the
volt-correction on the oscillogram of the probe in the
pulsed mode and the magnitude of the input resistance
of the oscilloscope, the probe current was determined.
2. RESULTS OF EXPERIMENTS AND
DISCUSSION
In Fig. 2 shows typical oscillograms of the potential
of the Langmuir probe and the discharge current of the
MSS in a high-current pulse mode of operation with a
high-voltage impulse voltage.
Fig. 2. Typical oscillograms of the potential of the
Langmuir probe and discharge current of the MSS in
the high-current pulse mode of operation with a high-
voltage impulse voltage
(blue line – discharge current, red – probe
oscillogram in pulsed mode)
The current-voltage characteristic of the Langmuir
probe in the steady-state mode of operation of the MSS
and the current-voltage characteristic of the double
Langmuir probe of the combined magnetron discharge
obtained in accordance with the described procedure are
shown in Fig. 3.
0 50 100 150 200
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
I,
m
k
A
U, V
Fig. 3. Volt-ampere characteristic of combined
magnetron discharge (black line – steady-state
discharge burning mode, red – pulse mode)
The volt-ampere characteristics (Fig. 3) of the probe
have a classical form and allow us to determine electron
temperature and plasma density by standard methods
both in the stationary and in the high-current pulsed
mode of operation with a high-voltage impulse voltage
[4].
As a result of processing the volt-ampere
characteristics of the probe, the following values of the
electron temperature and plasma density were obtained:
in the steady-state discharge mode of the MSS:
Te = 15.5 eV and ni = 2.34·1011 cm-3; in the high-current
pulsed mode of operation of the MSS with a high-
voltage impulse voltage addition: Te = 38 eV and
ni = 2.22·1014 cm-3.
CONCLUSIONS
Thus, it is shown that in the combined stationary-
pulsed mode of operation of a high-voltage pulse
voltage additive, the temperature of the plasma electrons
increases more than twofold. In this case, the density of
the pulsed plasma turns out to be three orders of
magnitude higher in comparison with the steady-state
discharge regime in the MSS.
The obtained experimental data reliably explain the
thousandfold increase in the efficiency of the sputtering
of the MBS target in the high-current pulse mode of the
magnetron discharge.
REFERENCES
1. A.G. Chunadra, K.N. Sereda, I.K. Tarasov,
A.A. Bizyukov. Increasing of mass transfer efficiency at
magnetron deposition of metal coating // Problems of
Atomic Science and Technology. Series “Plasma
Physics” (21). 2015, № 1, 2015, p. 181-183.
2. A.A. Bizyukov, K.N. Sereda, V.V. Sleptsov,
I.K. Tarasov, A.G. Chunadra. High-current pulsed
operation modes of the planar mss with magnetically
insulated anode without transition to the arc discharge //
Problems of Atomic Science and Technology. Series
“Plasma Physics” (18). 2012, № 6, р. 190-192.
254 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2018. №6(118)
3. A.A. Bizyukov, K.N. Sereda, V.V. Sleptsov,
I.K. Tarasov, A.G. Chunadra. Pulsed magnetron
sputtering system power supply without limitation and
forced interruption of the discharge current // Problems
of Atomic Science and Technology. Series “Plasma
Physics” (19). 2013, № 1, p. 225-227.
4. R. Huddlestone, S. Leonard. Diagnostics of plasma.
М.: “Mir”, 1967, p. 515.
Article received 12.09.2018
ЗОНДОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЛОТНОЙ ГАЗОМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ
В НЕОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ ПЛАНАРНОГО МАГНЕТРОННОГО РАЗРЯДА
А.Г. Чунадра, К.Н. Середа, И.К. Тарасов
Представлены измерения температуры электронов и концентрации плазмы как в стационарном, так и в
импульсном режимах работы продольной планарной МРС с магнитоизолированным анодом в стационарном
и сильноточном импульсном режимах работы с высоковольтной импульсной добавкой напряжения.
Измерения проводились по стандартной методике для двойных зондов Ленгмюра. Полученные вольт-
амперные характеристики двойного зонда показывают, что температура электронов увеличивается в два
раза в импульсном режиме работы магнетрона по сравнению со стационарным режимом, а плотность
импульсной плазмы возрастает на три порядка.
ЗОНДОВІ ВИМІРИ ПАРАМЕТРІВ ЩІЛЬНОЇ ГАЗОМЕТАЛЕВОЇ ПЛАЗМИ В НЕОДНОРІДНОМУ
МАГНІТНОМУ ПОЛІ ПЛАНАРНОГО МАГНЕТРОННОГО РОЗРЯДУ
А.Г. Чунадра, К.М. Середа, І.К. Тарасов
Представлено виміри температури електронів і концентрація плазми як у стаціонарному, так і в
імпульсному режимах роботи повздовжньої планарної МРС з магнітоізольованим анодом у стаціонарному
та сильнострумовому імпульсному режимах роботи з високовольтною імпульсною добавкою напруги.
Виміри проводилися за стандартною методикою для двійних зондів Ленгмюра. Отримані вольт-амперні
характеристики двійного зонда показують, що температура електронів збільшується в два рази в
імпульсному режимі роботи магнетрона в порівнянні у стаціонарним режимом, а концентрація імпульсної
плазми зростає на три порядки.
|