Method for measuring external and internal parameters of plasma with ungrounded gas discharge electrodes

This work is devoted to the method of measuring the external and internal parameters of gas-discharge plasma in conditions of non-potential "ground" using a multi-grid probe with ungrounded electrodes and a casing. The technique was developed in the plasma of a pulsed high-current high-voltage magnetron discharge with the electrodes detached from the ground. This technique makes it possible to measure ion and electron densities and plasma temperatures and potentials, as well as the ion and electron energy distribution functions, with the usual accuracy for probe measurements. The measurements were carried out by a three-electrode probe installed in the cathode sputtering zone. Selection of the investigated particles was carried out through a screen located under a floating potential.Розглянуто метод вимірювання зовнішніх і внутрішніх параметрів газорозрядної плазми в умовах непотенційного «заземлення» з використанням багатосіточного зондa з незаземленими електродами та корпусом. Методика була розроблена в плазмі імпульсного сильнострумового високовольтного магнетронного розряду з електродами, відокремленими від землі. Цей метод дозволяє виміряти щільності іонів і електронів, температури та потенціали плазми, а також функції розподілу енергії іонів і електронів iз звичайною точністю для зондових вимірів. Виміри проводилися трьохелектродним зондом, встановленим у зоні катодного розпилення. Відбір досліджуваних часток проводився за допомогою екрана, розташованого під плаваючим потенціалом.Рассмотрен метод измерения внешних и внутренних параметров газоразрядной плазмы в условиях непотенциального «заземления» с использованием многосеточного зонда с незаземленными электродами и корпусом. Методика была разработана в плазме импульсного сильноточного высоковольтного магнетронного разряда с электродами, отсоединенными от земли. Этот метод позволяет измерять плотности ионов и электронов, температуры и потенциалы плазмы, а также функции распределения энергии ионов и электронов с обычной точностью для зондовых измерений. Измерения проводились трехэлектродным зондом, установленным в зоне катодного распыления. Выбор исследуемых частиц проводился через экран, расположенный под плавающим потенциалом

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 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

Control of ionization processes in magnetron sputtering system by changing magnetic field configuration

This work is devoted to measuring the function of the distribution of charged particles of gas-discharge plasma in a magnetron sputtering system under conditions of non-potential “earth”. Measurements are carried out with the help of a three-electrode probe, which is installed in the cathode sputtering zone, with unsafe electrodes and housing. The selection of the analyzed particles was carried out through a screen located under floating potential. Effect of additional magnetic insulation anode of MSS МАG-5 on ion and electron distribution functions was investigated.Робота присвячена вимірюванню функції розподілу заряджених частинок газорозрядної плазми в магнетронній розпорошувальній системі в умовах непотенційної «землі». Вимірювання проведені за допомогою триелектродного зонду, який встановлено в зоні катодного розпилення, з незаземленими електродами і корпусом. Відбір досліджуваних частинок проводили через екран, розташований під плаваючим потенціалом. Досліджено вплив додаткової магнітоізоляції анода МРС МАГ-5 на функції розподілу іонів та електронів.Работа посвящена измерению функции распределения заряженных частиц газоразрядной плазмы в магнетронной распылительной системе в условиях непотенциальной «земли». Измерения проведены с помощью триэлектродного зонда, расположенного в зоне катодного распыления, с незаземленными электродами и корпусом. Отбор исследуемых частиц проводили через экран, находящийся под плавающим потенциалом. Исследовано влияние дополнительной магнитоизоляции анода МРС МАГ-5 на функции распределения ионов и электронов

Magnetron discharge intensification for effective deposition of coatings from difficult spray metals

The work is devoted to improvement of magnetron discharge parameters based on a standard magnetron sputtering system (MSS) of the MAG-5 type with an additional anode magnetic trap for discharge electrons in the conditions of localization of the discharge zone in the gap between electrodes to prevent charged particles losses. Possibilities of such configuration of MSS for depositing of coatings of materials with low coefficient of sputtering (tungsten) are investigated. The increase of the coating rate has been demonstrated. The mass of the deposited tungsten increased by more than 35% compared to the use of the same MSS without additional anode magnetic trap.Робота присвячена дослідженням покращення параметрів магнетронного розряду на базі стандартної магнетронної розпорошувальної системи (МРС) типу МАГ-5 з додатковою прианодною магнітною пасткою для електронів розряду в умовах локалізації зони розряду в міжелектродному проміжку для запобігання втрат заряджених частинок з плазми. Досліджено можливості такої конфігурації МРС для нанесення покриттів з матеріалів, які мають низький коефіцієнт розпорошення (вольфрам). Продемонстровано підвищення швидкості нанесення покриттів, та досягнутий приріст маси нанесеного вольфраму більше, ніж на 35% у порівнянні з використанням тієї ж МРС без створення додаткової прианодної магнітної пастки.Работа посвящена исследованиям улучшения параметров магнетронного разряда на базе стандартной магнетронной распылительной системы (МРС) типа МАГ-5 с дополнительной прианодной магнитной ловушкой для электронов разряда в условиях локализации зоны разряда в межэлектродном промежутке для предотвращения потерь заряженных частиц из плазмы. Исследованы возможности такой конфигурации МРС для нанесения покрытий с материалов, имеющих низкий коэффициент распыления (вольфрам). Продемонстрировано повышение скорости нанесения покрытий и достигнут прирост массы нанесенного вольфрама больше, чем на 35% по сравнению с использованием той же МРС без создания дополнительной прианодной магнитной ловушки

Features of coatings deposition in combined stationary-pulsed operation mode of the magnetron sputtering system

The results of researches of the combined stationary-pulsed operating mode of longitudinal planar magnetron sputtering system (MSS) with a magnetically isolated anode and with the additional pulsed high-current, high-voltage power supply are presented. It is shown that the increasing of duration of the pulse discharge with decaying current and voltage is not advisable for effective intensification of MSS target sputtering process and increase of mass transfer of substance on substrate. The existence of the optimal ratio between parameters of the stationary and pulsed magnetron discharge is shown.Представлены результаты исследований комбинированного стационарно-импульсного режима работы продольной планарной магнетронной распылительной системы (МРС) с магнитоизолированным анодом с дополнительным импульсным сильноточным высоковольтным источником питания. Показано, что для эффективной интенсификации процесса распыления мишени МРС и увеличения массопереноса вещества на подложку нецелесообразно увеличивать длительность импульсного разряда со спадающими импульсными током и напряжением. Показано существование определённого оптимального соотношения между параметрами стационарного и импульсного магнетронных разрядов.Представлено результати досліджень комбінованого стаціонарно-імпульсного режиму роботи повздовжньої планарної магнетронної розпилювальної системи (МРС) з магнітоізольованим анодом з допоміжним імпульсним сильнострумовим високовольтним джерелом живлення. Показано, що для ефективної інтенсифікації процесу розпилення мішені МРС та збільшення масопереносу речовини на підкладку небажано збільшувати тривалість імпульсного розряду зі спадаючими імпульсним струмом та напругою. Показано існування визначеного оптимального співвідношення між параметрами стаціонарного та імпульсного магнетронних розрядів

Influence of magnetic field configuration and strength on plasma parameters and efficiency of coatings deposition in magnetron sputtering system

Paper presents results of evaluation of the influence of the parameters of the additional anode electromagnetic trap for discharge electrons in a magnetron sputtering system. The efficiency of ionization processes is also investigated. It has been shown experimentally that a slight increase of the additional anode magnetic field leads to an increase of plasma density in the discharge on several times. The presence of an anode electromagnetic trap causes additional ionization zones. An increase of anode magnetic field leads to an increase of the average energy of charged discharge plasma particles. As the result, it was observed an intensification of the target material sputtering process as well as an increase of coatings deposition rate. In addition, a slight increase in the magnitude of the anode magnetic field has a positive effect on the quality and purity of the deposited coatings.Представлені результати оцінки впливу параметрів додаткової анодної електромагнітної пастки для розрядних електронів у системі магнетронного розпилення. Також досліджена ефективність процесів іонізації. Експериментально показано, що незначне збільшення додаткового анодного магнітного поля призводить до збільшення щільності плазми в розряді в кілька разів. Наявність анодної електромагнітної пастки викликає додаткові зони іонізації. Збільшення анодного магнітного поля призводить до збільшення середньої енергії заряджених частинок плазми розряду. У результаті спостерігалося посилення процесу розпилення матеріалу мішені, а також збільшення швидкості нанесення покриттів. Крім того, незначне збільшення величини анодного магнітного поля позитивно впливає на якість і чистоту нанесених покриттів

Modification and alloying effects in Eurofer steel under powerful pulsed plasma impacts

Experimental studies of surface modification of Eurofer samples have been performed with a quasi-stationary plasma accelerator QSPA Kh-50. The heat load on the surface was near the tungsten melting threshold (i.e. about 0.6 MJ/m²). The plasma streams exposures result in modification of steel-based materials and formation of cellular submicron structures in re-solidified layers. Phase characterized by body-centered cubic lattice appeared due to recrystallization of affected material.Експериментальні дослідження модифікації поверхні зразків Eurofer проводилися на квазі-стаціонарному плазмовому прискорювачі КСПП Х-50. Теплове навантаження на поверхню було близьке до порогу плавлення вольфраму (тобто близько 0,6 МДж/м²). Вплив плазмових потоків призводить до модифікації сталі Eurofer та формування субмікрометрових стільникових структур у приповерхневому шарі. Фаза, яка характеризується об'ємно-центрованою кубічною решіткою, з'явилася внаслідок рекристалізації опроміненого матеріалу.Экспериментальные исследования модификации поверхности образцов Eurofer проводились на квазистационарном плазменном ускорителе КСПУ Х-50. Тепловая нагрузка на поверхность была близка к порогу плавления вольфрама (то есть около 0,6 МДж/м²). Воздействие плазменных потоков приводит к модификации стали Eurofer и формированию субмикрометровых ячеистых структур в приповерхностном слое. Фаза, которая характеризуется объемно-центрированной кубической решеткой, появилась в результате рекристаллизации облученного материала