Diagnostika výbojového plazmatu katodových oblouků a pulzních magnetronů

Ing. Ondřej NOVÁK

Disertační práce

Plasma diagnostics in cathodic arcs and pulsed magnetron discharges

Abstract:

Pulsed dc dual magnetron sputtering was used for preparation of photocatalytic crystalline TiO2 films. The depositions were performed using two unbalanced magnetrons with planar titanium targets of 50 mm diameter in Ar + O2 gas mixtures at a total pressure of 0.9 Pa with oxygen partial pressures ranging from 0.2 to 0.9 Pa. The maximum substrate surface temperature was 160 °C. Both magnetrons operated in the same asymmetric bipolar mode at the repetition frequencies of 100 kHz and 350 kHz with a fixed 50 % duty cycle and the average target power densities of 45 ? 74 Wcm?2 in the negative voltage phase of the pulses, but the magnetron operations were shifted by a half of the period. Time-averaged energy-resolved mass spectroscopy was performed at a substrate position located 100 mm from the targets. The measured structure of the ion energy distributions was correlated with the distinct pulse phases of the magnetron discharges. A suppression of high-energy ions in the flux onto the substrate resulted in a strong predominance of the highly photoactive crystalline anatase phase in the TiO2 films. A monochromator / Fizeau interferometer / intensified CCD camera system is described that was developed for the measurement of the shape of spectral lines, that are rapidly time varying. The most important operating parameter that determines the performance of the instrument is the size of the entrance aperture as this determines both the light throughput and the effective interferometer wavelength resolution. This thesis discusses, both theoretically and experimentally, the effect of the finite source area on the instrumental resolution to assist in optimizing the choice of this parameter. A second effect that often produces a practical limit to the quality of the spectra is drift of the interferometer plates. A method for absolute wavelength calibration of the Fizeau interferometer is described. Measurements of the shapes of spectral lines of ions and atoms ejected from the cathode spot of continuous and pulsed cathodic arcs are presented to demonstrate the utility of this instrument.

Abstract:

Pulzní dc duální magnetronové rozprašování bylo použito pro depozici fotokatalytických krystalických TiO2 vrstev. Vrstvy byly deponovány pomocí dvou nevyvážených magnetronů s kruhovými titanovými terči o průměru 50 mm v argon-kyslíkové atmosféře při celkovém tlaku 0.9 Pa a parciálním tlaku kyslíku v rozsahu 0.2 - 0.9 Pa. Maximální povrchová teplota substrátů byla 160 °C. Shodné asymetrické bipolární pulzy obou magnetronů s fází záporného napětí trvající půl periody a s opakovací frekvencí 100 kHz nebo 350 kHz byly fázově posunuty o půl periody . Průměrné výkonové hustoty na terč během fáze záporného napětí v pulzu byly 45 - 74 Wcm?2. Energie iontů byly měřeny pomocí časově průměrované hmotnostní spektroskopie na pozici substrátu ve vzdálenosti 100 mm od terčů. Naměřené průběhy energetických rozdělovacích funkcí iontů korespondovaly s fázemi pulzů magnetronového výboje. Snížení množství vysoce energetických iontů dopadajících na substrát vedlo k tvorbě vysoce fotokatalytických TiO2 vrstev s vysokým obsahem anatasové krystalické fáze. Optický přístroj využívající monochromátor, Fizeau interferometr a velmi rychlou citlivou CCD kameru byl vyvinut pro měření tvaru rychle se měnících spektrálních čar. Nejdůležitějším parametrem ovlivňujícím činnost přístroje je velikost vstupního otvoru, jelikož ovlivňuje zároveň světelnost přístroje i spektrální rozlišení interferometru. V této práci byl teoreticky i experimentálně posuzován efekt vstupního otvoru konečné velikosti na spektrální rozlišení přístroje, což umožňuje volbu optimální velikosti tohoto parametru pro dané podmínky. Dalším parametrem, který v praxi často limituje kvalitu změřených spekter, je rychlost posunu desek interferometru. Byla popsána metoda pro přesnou kalibraci vlnových délek změřených Fizeau interferometrem. Možnosti přístroje byly demonstrovány při měření spektrálních čar částic vyletujících z oblasti hustého plazmatu stejnosměrných i pulzních katodových oblouků.

Keywords

pulzní duální magnetronové naprašování, hmotnostní spektrometrie, Fizeau interferometrie, katodový oblouk

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 6. 9. 2011

Zveřejnit od: 6. 9. 2011

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: Prof. RNDr. Jaroslav Vlček, CSc.

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI

Fakulta aplikovaných věd

Doktorský studijní program / obor:
Aplikované vědy a informatika / Fyzika plazmatu a tenkých vrstev