Characterization of High Power Impulse Magnetron Sputtering Discharges

La tendance actuelle dans le domaine du dépôt physique en phase vapeur porte en partie sur le développement de processus permettant une ionisation élevée du matériau pulvérisé. Cette forte ionisation permet d'obtenir des conditions favorables à la fabrication de couches minces très denses. C'est le cas de la pulvérisation magnétron pulsée de grande puissance (HiPIMS), une technique de dépôt récemment introduite dans les milieux académiques et industriels. Ainsi, une forte dissipation de puissance au niveau de la cible durant chaque impulsion HiPIMS mène à la génération d'un plasma de haute densité et à une ionisation considérable du matériau pulvérisé. Pour cette raison principale, la concetration en ions métalliques d'un plasma HiPIMS peut être élevée, ce qui peut mener à une auto-pulvérisation de la cible. Malgré les importants progrès tant dans la compréhension que dans l'application de cette nouvelle technique de dépôt, une multitude de questions reliées à la dynamique complexe des décharges HiPIMS restent ouvertes. Ces questions concernent nottement les décharges opérées dans des mélanges gazeux réactifs employés dans la préparation de revêtements protecteurs et optiques. Ainsi, à titre d'exemple, il existe très peu d'information concernant la propagation entre la cible et le substrat d'un plasma riche en métal lors de chaque impulsion HiPIMS. Ceci est pourtant un critère important facilitant l'optimisation des conditions de dépôt. Ajoutons qu'il existe plusieurs types de sources de puissance offrant des formes d'impulsion en courant et en tension très différentes, mais qu'aucune analyse rigoureuse de leur décharge respective menant à l'identiffication des avantages et des inconvénients sur le processus de dépôt n'est disponible en ce moment. Le but de la présente thèse consiste ainsi à répondre aux problématiques et aux besoins déffinis plus-haut. En premier lieu nous menons une étude approfondie des processus en phase gazeuse durant des impulsions HiPIMS opérées avec une cible de Cr dans des milieux de Ar, de O2/Ar, de N2 et un mélange de N2 et Ar (N2/Ar) en utilisant primordialement l'émission optique émanant des différentes espèces excitées par le plasma. Nous nous concentrons ensuite sur l'évaluation critique des deux types de décharges pulsées à grande puissance générées par

Abstract

Recent development in the field of physical vapor deposition has shown a great interest in processes that provide high level ionization of the sputtered material, enabling thus the fabrication of dense coatings exhibiting superior material and functional characteristics. This is particularly the case of high power pulsed magnetron sputtering (HiPIMS), recently introduced to both academia and industry, that combines magnetron sputtering and pulsed power technology. The high power dissipated on the target during each HiPIMS pulse leads to the generation of high-density plasma and to a significant ionization of the sputtered target material. Hence, the HiPIMS plasma can be rich in metal ions which, in turn, contribute to target self-sputtering. Despite great advances in the understanding as well as in the application of this novel deposition technique, there remain numerous open questions related to the complex dynamics of the pulsed HiPIMS discharges, particularly if operated in the reactive gas mixtures employed in the preparation of functional protective and optical lms. For instance, there is still little information available about the propagation of the metal-rich plasma in between the target and the substrate during individual HiPIMS pulses, an important criterion for facilitating the optimization of the deposition conditions. Furthermore, there exists a variety of commercial HiPIMS power supplies exhibiting very dierent pulse shape-, voltage- and current characteristics. However, a rigorous analysis of the respective discharges { that could identify their particular benets and drawbacks with respect to the deposition process { is missing. This work addresses the issues and needs dened above. First, we perform an in-depth investigation of the gas-phase processes during the HiPIMS pulses operated above a Cr target in Ar, O2, N2 and in N2/Ar mixtures, mostly using optical emission emanating from different plasma-excited species. Afterwards, we focus on the critical assessment of the two principal types of high power pulsed discharges generated by the commercially available power supplies: