Характеризация плазменной смеси Ar:N₂ с помощью оптической эмиссионной спектроскопии при магнетронном осаждении покрытия NbN

   Сочетание оптической эмиссионной спектроскопии с моделированием плазменного светового излучения представляет собой неинтрузивный и адаптируемый подход к определению характеристик плазмы.

   Целью данного исследования было изучение температуры электронов плазмы, электронной плотности и других параметров плазмы при магнетронном распылении на постоянном токе в различных экспериментальных условиях в присутствии ниобиевой мишени и газовой смеси аргон-азот (Ar:N₂).

   Для оценки температуры и электронной плотности использовалась оптическая эмиссионная спектроскопия в диапазоне напряжений разряда 400–800 В и давлений газа 0,04–3,3 мбар. Измерения проводились во время осаждения покрытия из нитрида ниобия (NbN) методом магнетронного распыления при поддержке расстояния между зазорами 0,06 м и общей скорости потока 40 cтандартных кубических сантиметров в минуту. Температура электронов оценивалась путем построения графика Больцмана с несколькими ионными линиями Ar⁺, а плотность электронов определялась из отношения интенсивностей атомных и ионных линий с использованием уравнения Саха–Больцмана. Результаты исследований показали, что увеличение приложенного напряжения приводит к повышению температуры электронов, в то время как увеличение рабочего давления приводит к снижению температуры электронов. Наоборот, плотность электронов уменьшается с увеличением приложенного напряжения и увеличивается с ростом рабочего давления. Показано, что введение небольшого количества N₂ в источник разряда во время процесса осаждения NbN приводит к улучшению электрических характеристик плазмы тлеющего разряда.

1. Laroussi M. Low temperature plasma jets: characterization and biomedical // Plasma. 2020. V. 3. N 2. P. 54–58. doi: 10.3390/plasma3020006

2. Hankins O.E., Bourham M.A., Mann D. Observations of visible light emission from interactions between an electrothermal plasma and a propellant // IEEE Transactions on Magnetics. 1997. V. 33. N 1. P. 295–298. doi: 10.1109/20.559972

3. Pereira S., Pinto E., Ribeiro P.A., Sério S. Study of a Cold Atmospheric Pressure Plasma jet device for indirect treatment of squamous cell carcinoma // Clinical Plasma Medicine. 2019. V. 13. P. 9–14. doi: 10.1016/j.cpme.2018.09.001

4. Roomy H., Yasoob N., Murbat H. Evaluate the argon plasma jet parameters by optical emission spectroscopy // Kuwait Journal of Science. 2023. V. 50. N 2. P. 163–167. doi: 10.1016/j.kjs.2023.03.001

5. Lars Z. Overview of electric field applications in energy and process engineering // Energies. 2018. V. 11. N 6. P. 1361. doi: 10.3390/en11061361

6. Jabur Y.K., Hammed M.G., Khalaf M.K. DC glow discharge plasma characteristics in Ar/O₂ gas mixture // Iraqi Journal of Science. 2021. V. 62. N 2. P. 475–482. doi: 10.24996/ijs.2021.62.2.13

7. Jabur Y.K., Khalaf M.K., Hammed M.G. A comparative study of the electrical characteristics of generating argon plasma in different inter-electrode spacing discharges // International Journal of Nanoelectronics and Materials. 2020. V. 13. N 3. P. 493–500.

8. Zaplotnik Z., Primc G., Vesel A. Optical emission spectroscopy as a diagnostic tool for characterization of atmospheric plasma jets // Applied Sciences. 2021. V. 11. N 5. P. 2275. doi: 10.3390/app11052275

9. Hameed T.A., Kadhem S.J. Plasma diagnostic of gliding arc discharge at atmospheric pressure // Iraqi Journal of Science. 2019. V. 60. N 12. P. 2649–2655. doi: 10.24996/ijs.2019.60.12.14

10. Wybranowski T., Ziomkowska B., Cyrankiewicz M., Bosek M., Pyskir J., Napiórkowska M., Kruszewski S. A study of the oxidative processes in human plasma by time-resolved fluorescence spectroscopy // Scientific Reports. 2022. V. 12. N 1 P. 9012. doi: 10.1038/s41598-022-13109-0

11. Stryczewska H.D., Boiko O. Applications of plasma produced with electrical discharges in gases for agriculture and biomedicine // Applied Sciences. 2022. V. 12. N 9. P. 4405. doi: 10.3390/app12094405

12. Dyatko N.A., Ionikh Y.Z., Napartovich A.P. Influence of nitrogen admixture on plasma characteristics in a DC argon glow discharge and in afterglow // Atoms. 2019. V. 7. N 1. P. 13. doi: 10.3390/atoms7010013

13. Wu Y., Cheng J.-H., Sun D.-W. Blocking and degradation of aflatoxins by cold plasma treatments: Applications and mechanisms // Trends in Food Science & Technology. 2021. V. 109. P. 647–661. doi: 10.1016/j.tifs.2021.01.053

14. Ananthanarasimhan J., Gangwar R.K., Leelesh P., Srikar P.S.N.S.R., Shivapuji A.M., Roa L. Estimation of electron density and temperature in an argon rotating gliding arc using optical and electrical measurements // Journal of Applied Physics. 2021. V. 129. N 22. P. 223301. doi: 10.1063/5.0044014

15. Carter J.A., Barros A.I., Nóbrega J.A., Donati G.L. Traditional calibration methods in atomic spectrometry and new calibration strategies for inductively coupled plasma mass spectrometry // Frontiers in Chemistry. 2018. V. 6. P. 504. doi: 10.3389/fchem.2018.00504

16. Higuchi T., Noma M., Yamashita M., Urabe K., Hasegawa S., Eriguchi. K. Characterization of surface modification mechanisms for boron nitride films under plasma exposure // Surface and Coatings Technology. 2019. V. 377. P. 124854. doi: 10.1016/j.surfcoat.2019.07.071

17. Nasakina E.O., Sevostyanov M.A., Baikin A.S., Konushkin S.V., Sergienko K.V., Kaplan M.A., Fedyuk I.M., Leonov A.V., Kolmakov A.G. Using of magnetron sputtering for biocompatible composites creating // Advances in Composite Materials Development. 2018. P. 3–23. doi: 10.5772/intechopen.79609

18. Doyle S.J. A study of optical and physical probe diagnostic techniques for atmospheric-pressure plasmas. A thesis degree of Master of Science in Engineering. Huntsville, University of Alabama, 2017. 109 p.

19. Adams S.F., Murray C.S., Pohl N.A. Electron temperature measurement from neutral atomic tungsten emission line ratio // Review of Scientific Instruments. 2025. V. 96. N 1. P. 013502. doi: 10.1063/5.0238579

20. Khalaf M.K., Al-Gaffer A.N.A., Mohsin R.H. Estimation of plasma parameters in vanadium magnetron sputtering using optical emission spectroscopy at different experimental formation conditions // AIP Conference Proceedings. 2020. V. 2290. P. 050040. doi: 10.1063/5.0027435

21. Devia D.M., Rodriguez-Restrepo L.V., Restrepo-Parra E. Methods employed in optical Emission Spectroscopy Analysis : a review // Ingeniería y Ciencia. 2015. V. 11. N 21. P. 239–267. doi: 10.17230/ingciencia.11.21.12

22. Ley H. Analytical methods in plasma diagnostic by optical emission spectroscopy : a tutorial review // Journal of Science and Technology. 2014. V. 6. N 1. P. 49–66.

23. Bittencourt J.A. Fundamentals of Plasma Physics. Springer, 2004. 679 p. doi: 10.1007/978-1-4757-4030-1

24. Dobbyn K. Design and application of a plasma impedance monitor for RF plasma diagnostics. A thesis for the degree of Master of Science. Dublin City University, 2000. 84 p.

25. Akatsuka H., Tanaka Y. Discussion on electron temperature of gas-discharge plasma with non-Maxwellian electron energy distribution function based on entropy and statistical physics // Entropy. 2023. V. 25. N 2. P. 276. doi: 10.3390/e25020276

26. Chen H., Yuan D., Wu A., Lin X., Li X. Review of low-temperature plasma nitrogen fixation technology // Waste Disposal & Sustainable Energy. 2021. V. 3. N 3. P. 201–217. doi: 10.1007/s42768-021-00074-z

27. Goldston R.J., Rutherford P.H. Introduction to Plasma Physics. CRC Press, 1995. 510 p. doi: 10.1201/9780367806958