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Characterization of High Power Impulse Magnetron Sputtering Discharges

Matej Hala

Ph.D. thesis (2011)

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Abstract

Recent development in the field of physical vapor deposition has shown a great interestin processes that provide high level ionization of the sputtered material, enabling thus thefabrication of dense coatings exhibiting superior material and functional characteristics. Thisis particularly the case of high power pulsed magnetron sputtering (HiPIMS), recently introducedto both academia and industry, that combines magnetron sputtering and pulsedpower technology. The high power dissipated on the target during each HiPIMS pulseleads to the generation of high-density plasma and to a significant ionization of the sputteredtarget 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 depositiontechnique, there remain numerous open questions related to the complex dynamics ofthe pulsed HiPIMS discharges, particularly if operated in the reactive gas mixtures employedin the preparation of functional protective and optical lms. For instance, there is still littleinformation available about the propagation of the metal-rich plasma in between the targetand the substrate during individual HiPIMS pulses, an important criterion for facilitating theoptimization of the deposition conditions. Furthermore, there exists a variety of commercialHiPIMS power supplies exhibiting very dierent pulse shape-, voltage- and current characteristics.However, a rigorous analysis of the respective discharges { that could identify theirparticular 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-depthinvestigation of the gas-phase processes during the HiPIMS pulses operated above a Cr targetin Ar, O2, N2 and in N2/Ar mixtures, mostly using optical emission emanating from differentplasma-excited species. Afterwards, we focus on the critical assessment of the two principaltypes of high power pulsed discharges generated by the commercially available power supplies:

Résumé

La tendance actuelle dans le domaine du dépôt physique en phase vapeur porte en partiesur le développement de processus permettant une ionisation élevée du matériau pulvérisé.Cette forte ionisation permet d'obtenir des conditions favorables à la fabrication de couchesminces 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 etindustriels. Ainsi, une forte dissipation de puissance au niveau de la cible durant chaqueimpulsion HiPIMS mène à la génération d'un plasma de haute densité et à une ionisationconsidérable du matériau pulvérisé. Pour cette raison principale, la concetration en ionsmétalliques d'un plasma HiPIMS peut être élevée, ce qui peut mener à une auto-pulvérisationde la cible.Malgré les importants progrès tant dans la compréhension que dans l'application de cettenouvelle technique de dépôt, une multitude de questions reliées à la dynamique complexe desdécharges HiPIMS restent ouvertes. Ces questions concernent nottement les décharges opéréesdans des mélanges gazeux réactifs employés dans la préparation de revêtements protecteurs etoptiques. Ainsi, à titre d'exemple, il existe très peu d'information concernant la propagationentre la cible et le substrat d'un plasma riche en métal lors de chaque impulsion HiPIMS. Ceciest pourtant un critère important facilitant l'optimisation des conditions de dépôt. Ajoutonsqu'il existe plusieurs types de sources de puissance offrant des formes d'impulsion en courantet en tension très différentes, mais qu'aucune analyse rigoureuse de leur décharge respectivemenant à l'identiffication des avantages et des inconvénients sur le processus de dépôt n'estdisponible en ce moment.Le but de la présente thèse consiste ainsi à répondre aux problématiques et aux besoinsdéffinis plus-haut. En premier lieu nous menons une étude approfondie des processus en phasegazeuse 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'émissionoptique émanant des différentes espèces excitées par le plasma. Nous nous concentrons ensuitesur l'évaluation critique des deux types de décharges pulsées à grande puissance générées par
Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Ludvik Martinu, Jolanta-Ewa Sapieha
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/742/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 26 Mar 2012 15:26
Last Modified: 11 Nov 2022 05:51
Cite in APA 7: Hala, M. (2011). Characterization of High Power Impulse Magnetron Sputtering Discharges [Ph.D. thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/742/

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