On density distribution of Ti atom and ion ground states near the target in HiPIMS discharge using cavity ring-down spectroscopy and laser induced fluorescence

Abstract

Cavity ring-down spektroskopie kombinovaná s laserem indukovanou spektroskopií byla využita během vysokovýkonového impulzního magnetronového rozprašování Ti terče k určení časového vývoje a prostorového rozložení hustot hladin v blízkosti terče pro Ti atomy a ionty spadající do multipletů základních stavů (MZS). Z těchto hustot byl vypočten odhad časového vývoje a prostorového rozložení stupně ionizace v blízkosti terče. Bylo zjištěno, že hustoty (počet částic v jednotce objemu) hladin v MZS Ti atomů a iontů se zvyšují s jejich energií a že nejvyšší hladiny v MZS vykazují inverzi v jejich populacích (hustota hladiny dělená její statistickou váhou) během napěťového pulzu. Inverze populací (vyšší populace hladin s vyšší energií než těch z energií nižší) je výrazná pro nejvyšší hladinu MZS Ti+ iontu a přetrvává i 40 µs po konci napěťového pulzu. Součet hustot hladin základního stavu dosahuje hodnot až 8,3 × 10^11 1/cm^3 pro Ti+ ionty nad erozní zónou terče a až 4,8 × 10^11 1/cm^3 pro Ti atomy nad středem terče pro režim se špičkovou hustotou výkonu 498 W/ cm^2. Časté ionizace Ti atomů nad erozní zónou terče se manifestují výraznými poklesy v prostorovém rozložení Ti atomů. Toto vede k velmi vysokému stupni ionizace až 94 % nad erozní zónou terče a tento stupeň ionizace zůstává vysoký i 40 µs po ukončení napěťového pulzu.