การวัดพลังงานไอออนคาร์บอนจากแหล่งกำเนิดพลาสมาแบบพัลส์ฟิลเตอร์คาโทดิกอาร์กในระบบสุญญากาศภายใต้การไบอัสศักย์ไฟฟ้าให้ชิ้นงาน
The Carbon Ion Energy Measurement in Pulse Filtered Cathodic Vacuum Arc Plasma Source for Study the Influence of Negative Substrate Bias Voltage
Keywords:
เทคนิคพัลส์ฟิลเตอร์คาโทดิกอาร์ก , หัววัดพลังงานไอออนแบบสนามหน่วง , พลังงานไอออนคาร์บอน, pulsed filtered cathodic vacuum arc, time-resolved technique, retarding field analysis , pulse widthAbstract
งานวิจัยนี้ได้ทำการศึกษาเกี่ยวกับกระบวนการวัดพลังงานไอออนจากแหล่งกำเนิดพลาสมาแบบพัลส์ฟิล เตอร์คาโทดิกอาร์กในระบบสุญญากาศที่มีแกร์ไฟต์เป็นขั้วแคโทดโดยใช้หัววัดพลังงานไอออนแบบสนามหน่วง เพื่อศึกษาอิทธิพลของการไบอัสชิ้นงานด้วยศักย์ไฟฟ้าลบที่มีต่อค่าพลังงานคาร์บอนไอออน ได้ทำการวัดพลังงานคาร์บอนไอออนเมื่อชิ้นงานถูกไบอัสด้วยศักย์ไฟฟ้าตั้งแต่ 0 ถึง -80 โวลต์ และเพื่อศึกษาค่าพลังงานคาร์บอนไอออนในแต่ละช่วงเวลาตามความกว้างพัลส์อาร์กด้วยเทคนิคการวัดพลังงานไอออนตามช่วงเวลา ซึ่งกระบวนการวัดพลังงานคาร์บอนไอออนมีความละเอียดช่วงเวลาการวัดพลังงาน 450 ไมโครวินาที และหน่วงสัญญาณเวลาการวัดพลังงานจาก 0, 200, 400, 600, 800 และ 1000 ไมโครวินาที หลังจากกระบวนการอาร์กเริ่มต้นขึ้น ผลการ ศึกษา พบว่า อิทธิพลของการไบอัสชิ้นงานด้วยศักย์ไฟฟ้า 0 โวลต์หรือชิ้นงานถูกต่อลงกราวด์ พลังงานคาร์บอนไอออนมีค่าเฉลี่ย 20 อิเล็กตรอนโวลต์ และจะมีค่าเพิ่มมากขึ้นตามค่าศักย์ไฟฟ้าลบที่ไบอัสให้กับชิ้นงานที่เพิ่มขึ้น โดยการไบอัสชิ้นงานด้วยศักย์ไฟฟ้า -80 โวลต์ จะสามารถวัดค่าพลังงานคาร์บอนไอออนได้ประมาณ 100 อิเล็กตรอนโวลต์ จากการวัดพลังงานคาร์บอนไอออนตามช่วงเวลาของความกว้างพัลส์อาร์ก พบว่า ค่าพลังงานคาร์บอน ไอออนไม่ได้เปลี่ยนแปลงไปตามช่วงเวลาความกว้างพัลส์อาร์ก ส่วนความหนาแน่นของไอออนมีค่าเปลี่ยนแปลงไป โดยในช่วง เวลา 0 ถึง 450ไมโครวินาที ซึ่งเป็นช่วงเริ่มต้นของการอาร์ก ความหนาแน่นของไอออนมีค่าประมาณ 2.19x1016 ต่อลูกบาศก์เมตร ช่วงเวลา 450 ถึง 1000 ไมโครวินาทีซึ่งเป็นส่วนกลางของความกว้างพัลส์อาร์ก ค่าความหนาแน่นของไอออนจะคงที่ โดยมีค่าเท่ากับ 4.65x1016 ต่อลูกบาศก์เมตร และหลังจากช่วงเวลา 1000 ไมโครวินาทีของความกว้างพัลส์อาร์ก ความหนาแน่นของไอออนจะมีค่าลดลงจนเป็นศูนย์เมื่อพลาสมาสิ้นสุดลง This research is concerned with the process of measuring carbon ion energy from the pulse-filtered cathodic vacuum arc plasma source with the graphite as the cathode by using a retarding field ion energy analysis probe. To study the influence of a negative voltage biasing on carbon ion energy. The substrate was applied negative bias voltage from 0 to -80 V. To study the ion energy during the arc pulse plasma. The Timeresolved technique was used to measure carbon ion energy, with a time resolution of the order of 450 microseconds. The delay time for measuring the ion energy was adjusted from 0, 200, 400, 600, 800, and 1000 microseconds after arc ignition. The experimental result was found that the carbon ion energy in the arc plasma was dependent on substrate bias voltage, the carbon ion energy averages 20 eV when the substrate was biased at 0 V or grounded substrate. The carbon ion energy will be increased as the negative voltage bias to the substrate was increasing, where the carbon ion energy is 100 eV when the substrate was biased -80 V. The results show that the ion energy does not change with the arc pulse width and the ion energy is 20 eV at the grounded surface. The ion density changed with the arc pulse width, the ion density increased from 2.19x1016 m -3 for the first 450 microseconds up to 4.65x1016 m -3 for 450 to 1000 microseconds of the pulse width, and the ion density was decreased to zero for the end of the pulse width.References
Anders, A., Brown, G. I., MacGill, A. R., & Dickinson R. M. (1998). “Triggerless” triggering of vacuum arcs. Journal of Physics D: Applied Physics, 31(5), pp. 584–587.
Anders, A. (2010). A structure zone diagram including plasma-based deposition and ion etching. Thin Solid Films, 518(15), pp. 4087–4090.
Anders, A., & Oks, E. (2007). Charge-state-resolved ion energy distribution functions of cathodic vacuum arcs: A study involving the plasma potential and biased plasmas. Journal of Applied Physics, 101(4). pp. 043304(1-6)
Anders, A., & Yushkov, G. Y. (2002). Ion flux from vacuum arc cathode spots in the absence and presence of a magnetic field. Journal of Applied Physics, 91(8), pp. 4824–4832.
Anders, A., & Yushkov, G. Y. (2004). The kinetic energy of carbon ions in vacuum arc plasmas: A comparison of measuring techniques. Journal of Applied Physics, 96(2), pp. 970–974
Baloniak, T., Reuter, R., & Keudell, A. V. (2010). Fundamental aspects of substrate biasing: ion velocity distributions and nonlinear. Journal of Physics D: Applied Physics, 43,335201(1-13).
Chabert, P., & Braithwaite N. St. J. (2011). A retarding field analyser (RFA). Physics of Radio-Frequency Plasmas, Cambridge: Cambridge University Press, p.348.
Chen, F. F. (2003). Lecture Notes on Langmuir Probe Diagnostics. Mini-Course on Plasma Diagnostics, IEEEICOPS Meeting, (23-35). Electrical Engineering Department, University of California, Los Angeles
Ehiasarian, A. P., Munz, W.-D., Hultman, L., Helmersson, U., & Petrov, I. (2003). High power pulsed magnetron sputtered CrNx films. Surface and Coatings Technology, 94(6), pp. 267-272.
Ehrhardt, H. (1995). New developments in the field of superhard coatings. Surface and Coatings Technology, 74–75(PART 1), pp. 29–35.
Goohpattader, P. S., Dwivedi, N., Rismani-Yazdi, E., Satyanarayana, N., Yeo, R. J., Kundu, S., & Bhatia, C.S. (2015). Probing the role of C+ ion energy, thickness and graded structure on the functional and microstructural characteristics of ultrathin carbon films (<2 nm). Tribology International, 81, pp. 73–88.
Kaeppelin, V., Carrère, M., & Layet, J-M. (2002). Ion energy distribution functions and Langmuir probe measurements in low pressure argon discharges. Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, 20(2), pp. 526–529.
Kutzner, J., & Miller, H. C. (1992). Integrated ion flux emitted from the cathode spot region of a diffuse vacuum arc. Journal of Physics D: Applied Physics, 25(4), pp. 687–693.
Tay, B. K., Zhao, Z. W., & Chua, D. H. C. (2006). Review of metal oxide films deposited by filtered cathodic vacuum arc technique. Materials Science and Engineering R: Reports, 52(1–3), pp. 1–48.
Van De Ven, T. H. M., Meijere, C. A. de, Horst, R. M. van der, Kampen, M.van, Banine, V. Y., & Beckers, J. (2018). Analysis of retarding field energy analyzer transmission by simulation of ion trajectories. Review of Scientific Instruments, 89(4). pp. 043501-(1-11)
Yushkov, G. Y., Anders, A., Oks, E. M., & Brown, I. G. (2000). Ion velocities in vacuum arc plasmas. Journal of Applied Physics, 88(10), pp. 5618–5622.
