Straight magnetized filter of a pulsed vacuum arc: study and applications

Los equipos de descargas arco en vacío son una fuente de plasma atractiva para la producción de películas delgadas. En estos equipos se produce un intenso jet de plasma metálico formado por iones de relativamente alta energía que son producidos con mucha eficiencia en la superficie del cátodo. Sin embargo, estos arcos también producen macropartículas de material catódico derretido que son depositadas en los sustratos. La presencia de estas macropartículas aumenta la porosidad y rugosidad de los recubrimientos afectando las propiedades de los films. Se han desarrollado varios sistemas de filtrado para separar las macropartículas del plasma, pero el filtrado magnético es el más empleado en la actualidad. Este tipo de filtro consiste en un tubo con un campo magnético axial que transporta el plasma a lo largo del mismo. En este trabajo se presenta un estudio del plasma generado mediante una descarga arco pulsada en vacío en un filtro magnético recto y de los recubrimientos obtenidos con este equipo. El estudio del plasma involucró mediciones con sondas electrostáticas y analizadores por campo retardador. Los resultados obtenidos para la energía cinética de los iones son similares a los hallados por otros autores, pero también se encontró que la energía era independiente de la intensidad del campo magnético dentro del rango estudiado en este trabajo. La temperatura electrónica también resultó independiente del campo magnético y de la posición a lo largo del filtro, indicando la ausencia de colisiones. Se realizaron mediciones de corriente iónica de saturación y de potencial flotante en diferentes posiciones axiales y radiales dentro del filtro para distintas intensidades del campo magnético, y se desarrolló un modelo teórico para entender la dinámica de la entrada de plasma y su transporte a lo largo del filtro. Un análisis de los resultados experimentales realizado con el modelo teórico mostró que, en este dispositivo, a medida que la intensidad del campo magnético aumenta a lo largo del filtro, el movimiento del plasma evoluciona de una compresión radial con baja velocidad de rotación a un jet rotante guiado a lo largo del tubo. El estudio de los recubrimientos se realizó con cátodos de Cu, Ni, Ti, Zr y Mo, e involucró técnicas de microscopía así como difracción y reflectometría de rayos x. se encontró que los films crecen nanoestructurados, con granos columnares y espesores de alrededor de 10 nm por descarga. La presencia de macropartículas en los recubrimientos también fue estudiada y se encontró que el número y tamaño de las mismas variaba con el punto de fusión del material del film. A la entrada del filtro, el campo magnético axial produce una reducción considerable del número de partículas normalizado con la corriente iónica colectada. Sin embargo, no se observó más reducción en los films obtenidos a la salida del filtro, indicando que el flujo de macropartículas no es apreciablemente reducido a lo largo del tubo.Vacuum Arc plasma sources are attractive for the deposition of thin films, since an intense jet of metallic plasma including relatively high-energy ions is produced with a high efficiency at the cathode surface. However, cathodic arcs also produce macroparticles from the melted cathode material that are deposited on the substrate. The presence of macroparticles increases the porosity and roughness of the coating, affecting the films properties. Several filtering systems to separate the arc plasma and the macroparticles have been developed. Presently, magnetic filtering is a widely used method for removing the macroparticles. This kind of filter consists in a tube with an axial magnetic field that guides the plasma along the duct. In this work, a study of the plasma jet generated in a pulsed vacuum arc along a straight magnetized filter and of the films obtained with this equipment is presented. The plasma study involved measurements with electrostatic Langmuir probes and a retarding field analyzer. The obtained results for the ion kinetic energy are similar to those reported by other authors, but they were also found to be independent of the magnetic field strength. The electron temperature was also found to be independent of the magnetic field strength and of the axial position along the filter, indicating the absence of collisions. The ion saturation current and the plasma potential at different radial and axial positions and magnetic field intensities were measured and a theoretical model was developed to understand the dynamics of the plasma entry and guiding in the filter. This model takes into account magnetic field variations and Gaussian ion radial profiles. An analysis of the experimental results with the theoretical model shows that, in our device, as the magnetic field intensity increases along the filter, the plasma motion evolves from a radial compression with a low rotational velocity at the filter entrance to a rotating jet guided along the duct. The coatings study was performed with cathodes of Cu, Ni, Ti, Zr and Mo. It involved microscopy techniques a well as x-ray diffraction and reflectometry. The films were found to be grown nano-structured with columnar grains, and thicknesses of about 10 nm per discharge. The presence of macroparticles in the films has been also studied. It was found that number and size of the macroparticles varied with the melting point of the film material. At the filter entrance, the axial magnetic field led to a considerable reduction of the number of macroparticles normalized to the collected ion current.However, no further reduction was observed in films obtained at the end of the magnetic filter, thus implying that the macroparticle flux is not appreciably reduced along the tube.Fil:Giuliani, Leandro Estanislao. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina