Publicado

2018-01-01

Study of the plasma behavior produced by a vacuum arc discharge for different cathode materials

Estudio del comportamiento del plasma producido en una descarga de arco en vacío para diferentes materiales del cátodo

Palabras clave:

modeling, arc discharge, plasma static behavior, cathode material (en)
modelamiento, descarga de arco, comportamiento estacionario del plasma, material del cátodo (es)

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Autores/as

Plasma-assisted techniques have been widely used for deposition of high quality thin films and metallurgical coatings. The glow plasma produced in the region between the electrodes and the chamber wall of a cathodic arc was modeled. The plasma behavior was characterized for different cathode materials that are commonly used in a cathodic arc deposition. The electron temperature, density, and electric potential were found to decrease as function of the distance from the spot region. However, the ion kinetic energy tends to increase due to the acceleration of the ions coming from the bulk region. Our results show that the cathodic arc is not directly affected by the plasma potential of the glow plasma and that the cathode material has an important influence on the plasma behavior, mainly because of the electrical and thermal conductivity of each material.
Las técnicas asistidas por plasma han sido ampliamente utilizadas para la deposición de películas delgadas y recubrimientos metalúrgicos de alta calidad. La descarga luminiscente producida en la región entre electrodos y cámara de un arco catódico fue modelada. El comportamiento del plasma fue caracterizado para diferentes materiales del cátodo comúnmente utilizados en descarga de arco catódico. Se encontró que la temperatura electrónica, densidad y potencial eléctrico decrecen como función de la distancia desde la región de puntos catódicos. Sin embargo, la energía cinética del ion tiende a incrementar debido a la aceleración de los iones provenientes de la región central del arco. Nuestros resultados muestran que el arco catódico no es directamente afectado por el potencial del plasma de la descarga luminiscente y que el material del cátodo tiene una influencia importante en el comportamiento del plasma, principalmente debido a la conductividad eléctrica y térmica de cada material.

Citas

Sree-Harsha, K.S., Principles of physical vapor deposition of thin films, 1st edition, Great Britain, Elsevier, 2006, 431 P.

Randhawa, H., Cathodic arc plasma deposition technology. Thin Solid Films, 167(1-2), pp. 175-186, 1988. DOI: 10.1016/0040-6090(88)90494-4

Boxman, R.L. and Goldsmith, S., Momentum interchange between cathode-spot plasma jets and background gases and vapors and its implications on vacuum-arc anode-spot development. IEEE Transactions on Plasma Science, 17(5), pp.705-712, 1989. DOI: 10.1109/27.131026

Siemroth, P., Schultrich, B. and Schülke, T., Fundamental processes in vacuum arc deposition. Surface and Coatings Technology, 74-75(1), pp. 92-96, 1995. DOI: 10.1016/0257-8972(95)08346-4

Anders, A., Anders, S., Juttner, B., Botticher, Luck, W.H. and Schroder, G.,

Pulsed dye laser diagnostics of vacuum arc cathode spots. IEEE Transactions on Plasma Science, 20(4), pp. 466-472, 1992. DOI: 10.1109/27.256775

Brown, I.G., Cathodic arc deposition of films. Annual Review of Materials Science, 28(1), pp. 243-269, 1998. DOI: 10.1146/annurev.matsci.28.1.243

Kutzner, J. and Miller, H.C., Integrated ion flux emitted from the cathode spot region of a diffuse vacuum arc. Journal of Physics D: Applied Physics, 25(4) pp. 686-693, 1992. DOI: 10.1088/0022-3727/25/4/015

Tuma, D.T, Chen, C.L and Davies, D.K., Erosion products from the cathode spot region of a copper vacuum arc. Journal of Applied Physics, 49(1), pp. 3821-3831, 1978. DOI: 10.1063/1.325386

Kutzner, J. and Miller, H., Ion flux from the cathode region of vacuum arc. IEEE Transactions on Plasma Science, 17(5), pp. 668-694, 1989. DOI: 10.1109/27.41183

Kelly, H., Marquez, A., Minotti, F. and Fontan, C.F., The plasma state in the surroundings of a multi-cathode-spot vacuum arc. Journal of Physics D: Applied Physics, 31(1), pp. 1737-1741, 1998. DOI: 10.1088/0022-3727/31/14/018

Miller, H.C., A review of anode phenomena in vacuum arcs. Contributions to Plasma Physics, 29(3), pp. 223-249, 1989. DOI: 10.1002/ctpp.2150290302

Goldsmith, S., Boxman, R.L., Martin, P.J. and Sanders, D.M., Handbook of vacuum arc science and technology, 1st edition, New Jersey, Noyes Publications, 1995, pp. 274.

Meunier, J.L., Pressure limits for the vacuum arc deposition technique. IEEE Transactions on Plasma Science, 18(6), pp. 904-910, 1990. DOI: 10.1109/27.61501

Jüttner, B., Characterization of the cathode spot. IEEE Transactions on Plasma Science, 15(5), pp. 474-480, 1987. DOI: 10.1109/TPS.1987.4316740

Lyubimov, G.A. and Rakhovskii, V.I., The cathode spot of a vacuum arc. Soviet Physics Uspekhi, 21(1), pp. 693-718, 1978. DOI: 10.1070/PU1978v021n08ABEH005674

Daalder, J.E., Erosion structures on cathode arced in vacuum. Journal of Physics D: Applied Physics, 12(10), pp. 1769-1779, 1976. DOI: 10.1088/0022-3727/12/10/019

Kimblinc, C.W., Erosion and ionization in the cathode spot regions of vacuum arcs. Journal of Applied Physics, 44(1), pp. 3074-3081, 1973. DOI: 10.1063/1.1662710

Anders, A. and Yushkov, G.Y., Angular resolved measurements of ion energy of vacuum arc plasmas, Applied Physics letters, 80(1), pp. 2457-2459, 2002. DOI: 10.1063/1.1468271

Anders, A., Cathodic arcs, from fractal spots to energetic condensation, 1st edition, New York, Springer, 2009, pp.156, 500-515.

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