8 research outputs found
The Langmuir probe modeling in ion-beam plasma
The mathematical model of single cylindrical Langmuir probe describing dependence of ion current gathered by the probe on the basic parameters of ion-beam plasma, such as probe potential, cold and beam ion densities, relation between ion and electron temperatures is built. The model covers wide parameters range of the ion-beam plasma, particularly the whole range typical for technological ion-beam systems. The results of numerical calculations are presented for the probe current versus probe dimensions and potential as well as the plasma parameters. The analytical expression for the ion current (modification of the Bohm formula) is derived for the large probe limit. For the numerical results the approximation formula is constructed, simplifying practical usage of the results.Побудовано математичну модель, що описує взаємозв'язок струму холодних іонів, що збирається зондом Ленгмюра в іонно пучковій плазмі (ІПП) з основними параметрами ІПП, такими як потенціал зонда, щільність іонів пучку і холодних іонів, співвідношення іонної і електронної температур. Модель перекриває широку область параметрів ІПП, зокрема, весь діапазон, характерний для технологічних іонно-променевих систем. Подано результати чисельних розрахунків зондового струму в залежності від геометричних розмірів і потенціалу зонда, а також від параметрів плазми. Знайдене аналітичний вираз для струму іонів в ІПП у випадку великого зонда - аналог відомої формули Бома. Для чисельних результатів побудовано апроксимаційну формулу, що дозволяє практично використовувати результати моделювання.Построена математическая модель, описывающая взаимосвязь тока холодных ионов, собираемого зондом Ленгмюра в ионно–пучковой плазме (ИПП) с основными параметрами ИПП, такими как потенциал зонда, плотность ионов пучка и холодных ионов, соотношение ионной и электронной температур. Модель перекрывает широкую область параметров ИПП, в частности, весь диапазон, характерный для технологических ионно-лучевых систем. Представлены результаты численных расчетов зондового тока в зависимости от геометрических размеров и потенциала зонда, а также от параметров плазмы. Найдено аналитическое выражение для тока ионов в ИПП в пределе большого зонда – аналог известной формулы Бома. Для численных результатов построена аппроксимационная формула, позволяющая практически использовать результаты моделирования
The energy balance of the asymmetric combined inductive-capacitive RF discharge at low pressure
The combined inductive-capacitive RF discharge at low gas pressure is considered for a case of collisionless ion motion. The power distribution model in the combined RF discharge in case of two asymmetric RF electrodes is developed in term of a ratio of the electrode areas and in term of a magnitude of applied RF voltage. We believe that power distributes on three parts: ionization and acceleration of ions in two electrode-sheath transitions. Two types of design is considered: with one and two RF generators. The dependencies of the dissipated RF power parts are obtained in terms of external discharge parameters. It is revealed an existence of a power maximum on acceleration of ions at electrode, which has a lower area. Been accorded expression for dependence of optimum discharge parameters. At using the power distribution model results the system parameter correlation’s have been obtained for a maximum process effectiveness of physical sputtering for systems on the basis of combined inductive-capacitive discharge.У роботі розглядається комбінований індукційно-ємнісної ВЧ розряд в області низького тиску робочого газу, коли іони досягають стінок розрядної камери без зіткнень. Для випадку асиметричних ВЧ електродів побудована феноменологична модель балансу потужності, що підводиться до ВЧ розряду в залежності від відношення площ ВЧ електродів і амплітуди прикладеного ВЧ потенціалу. Розглянуті два типи систем: з одним і двома ВЧ генераторами. Отримана залежність складових потужності, що поглинається в розряді в залежності від зовнішніх параметрів розряду. Виявлено існування максимума потужності на прискорення іонів на електрод меншої площі. Знайдена залежність положення даного максимума від параметрів системи. Результати можуть бути використані як при конструюванні й оптимізації розпилювальних систем на базі комбінованого розряду, так і для подальшого розвитку модельних уявлень про фізику ВЧ розрядів.В работе рассматривается комбинированный индукционно-емкостной ВЧ разряд в области низкого давления рабочего газа, когда уход ионов из плазмы на стенки разрядной камеры происходит без столкновений. Для случая асимметричных ВЧ электродов построена феноменологическая модель баланса подводимой к разряду ВЧ мощности в зависимости от отношения площадей ВЧ электродов и амплитуды приложенного ВЧ потенциала. Рассмотрены два типа систем: с одним и двумя ВЧ генераторами. Получены зависимости составляющих поглощаемой в разряде мощности в зависимости от внешних параметров разряда. Обнаружено существование максимума мощности на ускорение ионов на электрод меньшей площади. Найдена зависимость положения данного максимума от параметров системы. Результаты могут быть использованы как при конструировании и оптимизации распылительных систем на базе комбинированного разряда, так и для дальнейшего развития модельных представлений о физике ВЧ разрядов
Spatial distributions of plasma parameters in ICP reactor
The results of systematic experimental researches of ICP reactor are presented. Experimental results on spatial distribution of local plasma parameters (plasma density, temperature and electron energy distribution function) and radial profiles of ion current to processed surface are presented for atomic (Ar) and molecular (N2, CF4) gases. Relation between the plasma density profile and the ion current density radial distribution is discussed. Comparison of the obtained results with the calculations executed using 2D-fluid model has allowed to reveal the main rules of the ion flux profile formation.Представлены результаты систематических экспериментальных исследований реактора для плазменно-химического травления на базе ВЧ-индукционного разряда. Проведены измерения пространственных распределений локальных параметров плазмы (плотности плазмы, температуры и функции распределения электронов по энергии) и радиальных профилей плотности тока ионов на обрабатываемую поверхность. Измеренные зависимости существенно отличаются для инертного (Ar) и молекулярных (N2, CF4) газов. Поскольку диапазон давлений охватывал области бесстолкновительного и диффузионного режимов движения заряженных частиц в плазме, радиальное распределение плотности тока ионов и его абсолютная величина существенно изменялись. Проведено сравнение полученных результатов с расчетами, выполненными с использованием 2D-fluid модели.Представлено результати систематичних експериментальних досліджень реактора для плазмово-хімічного травлення на базі ВЧ-індукційного розряду. Проведено вимірювання просторових розподілів локальних параметрів плазми (густини плазми, температури і функції розподілу електронів по енергії) і радіальних профілів щільності струму іонів на оброблювану поверхню. Отримані залежності істотно відрізняються для інертного (Ar) і молекулярних (N2, CF4) газів. Оскільки діапазон тиску охоплював області руху без зіткнень і дифузійного режимів руху заряджених частинок в плазмі, радіальний розподіл щільності струму іонів і його абсолютна величина істотно змінювалися. Проведено порівняння отриманих результатів з розрахунками, виконаними з використанням 2D-fluid моделі
Integral cluster set-up for complex compound composites syntesis
At present study the result of development and investigations of cluster technological set-up for synthesis of
complex compound composites is demonstrated. The present set-up consist of complimentary DC-magnetron system,
RF-inductive plasma source and ion source. The system allows to independently form the fluxes of metal atoms,
chemically active particles, ions and also to synthesize the thin films of complex compound composites, including
nanocomposites. Various types of high-quality coatings such as Al2O3, AlN, TiO2, TiN, ZrO2 and others with thickness
up to 10 mkm have been synthesized using the described set-up.Представлено результати розробки і дослідження технологічної установки для синтезу складно-
композитних сполук на поверхні. Установка складається з комплементарних модулів магнетрона постійного
струму, ВЧ-індукційного джерела плазми і джерела іонів. Система дозволяє незалежно формувати потоки
металевих атомів, хімічно активних часток, іонів і синтезувати тонкі складнокомпозитні плівки, включаючи
нанокомпозити. На цій установці було отримано різні типи високоякісних покриттів, таких як Al2O3, AlN, TiO2,
TiN, ZrO2 та ін., товщиною до 10 мкм.Представлены результаты разработки и исследования технологической установки для синтеза сложно-
композитных соединений на поверхности. Установка состоит из комплементарных модулей магнетрона
постоянного тока, ВЧ-индукционного источника плазмы и источника ионов. Система позволяет независимо
формировать потоки металлических атомов, химически активных частиц, ионов и синтезировать тонкие
сложнокомпозитные пленки, включая нанокомпозиты. На представленной установке были получены различные
типы высококачественных покрытий, таких как Al2O3, AlN, TiO2, TiN, ZrO2 и др., толщиной до 10 мкм
Development of arc suppression technique for reactive magnetron sputtering
The technique of arc suppression on the target surface of magnetron sputtering system during reactive
deposition of Al₂O₃ coatings has been developed. Damping of arcs is achieved by transient
polarity change of the magnetron voltage by means of a simple circuit consisting of a capacitor and
an inductive coil. Practically 100% arc inhibition probability is achieved during 5 - 20 мS after its
ignition. The energy input into arc before its disappearance is about 50-100 mJ. Results of experimental
and theoretical investigations of the arc suppression phenomenon are presented. Process of
the magnetron discharge transition to stationary state after the arc suppression has been studied too.
Relaxation oscillations of current and voltage accompanying this process are described. A theoretical
model of the non-stationary magnetron discharge is developed featuring its dynamic properties.
Magnetron discharge dynamic impedance is found.Розроблено методику гасіння дуг на поверхні
мішені магнетронної розпилювальної системи в
процесі реактивного нанесення покриттів Al₂O₃. Подавлення дуг відбувається шляхом тимчасової
зміни полярності напруги на магнетроні, що досягається за допомогою простого електричного
ланцюга з конденсатора та катушки індуктивності. Досягається практично 100% імовірність подавлення дуг протягом 5 – 20 мкс після їх виникнення. Енергія, що вкладається в дугу до згасання, складає 50 – 100 мДж. Надані результати
експериментальних та теоретичних досліджень
процесу дугогасіння. Досліджений також процес
переходу магнетронного розряду до стаціонарного стану після зникнення дуги. Виявлено згасаючі коливання напруги та струму, що супроводжують цей процес. Побудовано теоретичну модель нестаціонарного магнетронного розряду, яка
описує його динамічні властивості. Знайдено динамічний імпеданс магнетронного розряду.Разработана методика гашения дуг на поверхности мишени магнетронной распылительной
системы в процессе реактивного нанесения покрытий Al₂O₃. Подавление дуг производится путем кратковременной смены полярности приложенного к магнетрону напряжения при по- мощи простой электрической цепи, состоящей из
конденсатора и катушки индуктивности. Достигается практически 100% вероятность подавления дуг в течение 5 – 20 мкс после их возникновения. Энергия, вкладываемая в дугу до ее
исчезновения составляет 50 – 100 мДж. Представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований процесса дугогашения. Исследован также процесс перехода магнетронного разряда к стационарному состоянию
после подавления дуги. Обнаружены затухающие колебания тока и напряжения, сопровождающие этот процесс. Построена теоретическая
модель нестационарного магнетронного разряда,
описывающая его динамические свойства. Найден динамический импеданс магнетронного разряда
Formation stages of pulsed discharge in oxygen and carbon tetrafluoride
This paper reports the current and voltage oscilloscope waveforms of a pulsed discharge measured in a broad range of frequencies (from 20 to 300 kHz) and duty cycle from 0.15 to 0.85 for two values of oxygen and carbon tetrafluoride pressure values of 0.1 and 1 Torr. Current oscilloscope waveforms of the glow pulsed discharge have been found to possess a plasma phase and an afterglow phase. The following stages of the plasma phase have been observed: 1. The capacitive current pulse of about 0.5–1 μs in duration; 2. The current growth stage the duration of which depends on the gas species, the plasma phase duration and the pressure; 3. The plateau (remarkably pronounced only for carbon tetrafluoride and absent for other gases); 4. The current decrease of tens microseconds in duration down to the level corresponding to that of the direct voltage discharge.В данной работе были измерены осциллограммы тока и напряжения импульсного разряда в широком диапазоне частот (от 20 до 300 кГц), коэффициентов заполнения от 15 до 85 %, для двух значений давлений 0,1 и 1 Торр кислорода и C F₄. Было получено, что осциллограммы тока тлеющего импульсного разряда имеют плазменную фазу и фазу послесвечения. Наблюдались следующие этапы плазменной фазы: 1. Импульс емкостного тока длительностью примерно 0,5–1 мкс; 2. Этап роста тока, длительность которого зависела от сорта газа, длительности плазменной фазы и давления; 3. Плато (заметно выраженное лишь для CF₄ и отсутствующее в кислороде); 4. Уменьшение тока, длившееся десятки микросекунд, до уровня, соответствующего разряду с постоянным напряжением.У цій роботі були виміряні осцилограми струму і напруги імпульсного розряду в широкому діапазоні частот (від 20 до 300 кГц), коефіцієнтів заповнення від 15 до 85 %, для двох значень тиску 0,1 і 1 Торр кисню і C F₄. Було отримано, що осцилограми струму тліючого імпульсного розряду мають плазмову фазу і фазу післясвітіння. Спостерігалися наступні етапи плазмової фази: 1. Імпульс ємнісного струму тривалістю приблизно 0,5–1 мкс; 2. Етап зростання струму, тривалість якого залежала від сорту газу, тривалості плазмової фази і тиску; 3. Плато (помітно виражене лише для CF₄ і відсутнє в кисні); 4. Зменшення струму, що тривало десятки мікросекунд, до рівня, відповідного розряду з постійною напругою
Experimental research of ICP reactor for plasma-chemical etching
The results of systematic experimental researches of plasma-chemical etching reactor in the inductive mode are presented
in this paper. Measurements of the integral discharge parameters (inductor voltage, gas pressure, input power)
have been carried out as well as probe measurements of spatial distribution of local plasma parameters (plasma density,
temperature and electron energy distribution function) and radial profiles of ion current to processed surface. The
measured dependences differ essentially for atomic (Ar) and molecular (O₂,N₂,CF₄) gases. As the range of working
pressure covers diffusive and collisionless modes of charged particles movement, radial distribution of ion current density
and its absolute value change significantly. Comparison of the obtained results with the calculations executed using
“Global” spatially averaged model and 2D-fluid model is carried out