Discharge characteristics of the magnetron system for sputtering, deposition, and nanotechnology applications

Abstract

Magnetron sputtering is known for years as a powerful tool for coating deposition of cutting tools and machine parts. However the experimental measurements of the magnetron discharge parameters are still necessary to provide a consumer of the magnetron system with the reliable characteristics. A voltage-current relation is the most applied characteristic of the discharge, and it is described as the power low of a type U = U0 + aIn, where U and I are the voltage drop and the discharge current, respectively, and U0 and n are constant. First part of the research is dedicated to the experiments conducted in the magnetron setup provided with the titani-um cathode in a vacuum chamber filled with argon or argon-nitrogen mixture, and the constants are deter-mined for the particular geometry of the magnetron sputtering system. The obtained results can be used to choose the operation modes for the traditional applications of the magnetron discharge such as ion cleaning and heating of the non-magnetic workpieces arranged on the cathode, as well as for the sputtering deposition of the titanium and titanium nitride coatings on the surfaces of the workpieces located above the magnetron cathode. In the next part of the research the novel application of the magnetron for production of carbon nanostructures is considered. For the purpose, a layer of expanded graphite is arranged on the magnetron cathode, and the discharge is initiated in oxygen atmosphere. It was found that for the time interval of a few hours the discharge is described as a superposition of the typical magnetron glow with arc spot generation, and the intensity of the arcs is not decreased with time. At that, the arc initiation was accompanied with the formation of clusters of the graphite cathode. The process is explained in terms of the cathode spot generation at the interaction of the arc plasma with the non-melting material. This process can be beneficial for the devel-opment of the plasma reactors for the large-scale production of the carbon species at the low gas pressures suitable for the magnetron discharge operation. Thus, the magnetron sputtering systems provided with the ex-panded graphite cathode can be considered as the tool to grow carbon nanospecies in the arc discharge cath-ode spots.

Магнетронне розпилення відоме протягом багатьох років як потужний інструмент для нанесення покриття на ріжучі інструменти та деталі машин. Проте експериментальні вимірювання параметрів магнетронного розряду ще необхідні, щоб забезпечити споживача магнетронної системи надійними характеристиками. Співвідношення напруга-струм є найбільш застосовуваною характеристикою розряду, і воно описується як низька потужність типу U = U0 + aIn, де U та I – падіння напруги та струм розряду відповідно, а U0 та n є постійними. Перша частина дослідження присвячена експериментам, проведеним в магнетронній установці з титановим катодом у вакуумній камері, заповненій аргоном або сумішшю аргон-азот, і визначені константи для конкретної геометрії магнетронного розпилення. система. Отримані результати можуть бути використані для вибору режимів роботи для традиційних застосувань магнетронного розряду, таких як іонне очищення та нагрівання немагнітних заготовок, розташованих на катоді, а також для напилення покриттів з титану та нітриду титану. на поверхнях заготовок, розташованих над катодом магнетрона. У наступній частині дослідження розглядається нове застосування магнетрона для виробництва вуглецевих наноструктур. Для цього на катоді магнетрона розташовують шар спученого графіту, а розряд ініціюють в атмосфері кисню. Було встановлено, що протягом декількох годин розряд описується як суперпозиція типового світіння магнетрона з генерацією дугових плям, і інтенсивність дуг не зменшується з часом. При цьому запалювання дуги супроводжувалося утворенням кластерів графітового катода. Процес пояснюється з точки зору генерації катодної плями при взаємодії плазми дуги з неплавким матеріалом. Цей процес може бути корисним для розробки плазмових реакторів для великомасштабного виробництва видів вуглецю при низькому тиску газу, придатному для роботи магнетронного розряду. Таким чином, системи магнетронного розпилення, оснащені розширеним графітовим катодом, можна розглядати як інструмент для вирощування вуглецевих наночастин у катодних плямах дугового розряду.

Магнетронное напыление давно известно как мощный инструмент для нанесения покрытий на режущие инструменты и детали машин. Однако экспериментальные измерения параметров магнетронного разряда по-прежнему необходимы для обеспечения потребителей магнетронной системы достоверными характеристиками. Наиболее часто применяемой характеристикой разряда является вольтамперная зависимость, описываемая как мощность тока типа U = U0 + aIn, где U и I — падение напряжения и ток разряда соответственно, а U0 и n постоянны. Первая часть исследования посвящена экспериментам, проведенным на магнетронной установке с титановым катодом в вакуумной камере, заполненной аргоном или аргонно-азотной смесью, и определены константы для конкретной геометрии магнетронного распыления. система. Полученные результаты могут быть использованы при выборе режимов работы для традиционных применений магнетронного разряда, таких как ионная очистка и нагрев немагнитных заготовок, расположенных на катоде, а также для напыления покрытий из титана и нитрида титана. на поверхностях заготовок, расположенных над катодом магнетрона. В следующей части исследования рассматривается новое применение магнетрона для производства углеродных наноструктур. Для этого на катод магнетрона наносится слой расширенного графита, а разряд инициируется в атмосфере кислорода. Установлено, что для временного интервала в несколько часов разряд описывается как суперпозиция типичного свечения магнетрона с генерацией пятен дуги, при этом интенсивность дуг не уменьшается со временем. При этом зажигание дуги сопровождалось образованием кластеров графитового катода. Процесс объясняется образованием катодного пятна при взаимодействии плазмы дуги с неплавящимся материалом. Этот процесс может быть полезен для разработки плазменных реакторов для крупномасштабного производства углеродных частиц при низких давлениях газа, подходящих для работы в магнетронном разряде. Таким образом, системы магнетронного распыления с катодом из расширенного графита можно рассматривать как инструмент для выращивания наночастиц углерода в катодных пятнах дугового разряда.