Physical model of arcing phenomenon in magnetron sputtering processes

Zofia Domanowska

Abstract

The magnetron sputtering process is one of the plasma applications used on a large scale in industry. This process is used, among others, for coating optical elements with anti-reflective layers, for coating everyday objects with anti-deterioration layers, and for the production of touch screens. The magnetron sputtering process takes place under conditions of reduced pressure. The basic components of the sprayed layers are the target material and the working gas, e.g. argon. The resulting layers are usually poorly conductive coatings. Due to the design of the plasma system and the physical nature of the PVD process, the layers are applied not only to the target element, but also to the surface of the target. An increase in the thickness of the dielectric layer and the accumulation of charge on it leads to a decrease in the efficiency of the process and arcing. These discharges lead to destruction of the resulting layers and significant reduction of their quality. In order to prevent the glow discharge from transforming into arc discharge, appropriate power supplies are used, which enable pulse voltage supply and turn off when the arc is detected, thanks to which the accumulated charge can discharge. System electrode - insulating layer - plasma may be approximated using an electrical circuit comprising a capacitor and a resistor. As a result of the sputtering process, a dielectric layer is formed in the capacitor. Such a model enables simulation of the value of the deposited charge and the influence of particular parameters, such as the size of the covers, the applied voltage and the material used, on the course of the process. The analysis of simulation results allows us to observe the efficiency of pulse voltage delivery. In this work, the conditions under which arcing takes place are analyzed. A simulation of the magnetron sputtering process was performed, the results of which allow to determine the process parameters, thanks to which it is possible to limit the occurrence of arcing. It has been shown that the use of appropriate signal filling, with previously selected process parameters, allows for efficient magnetron sputtering without arcing.
Diploma typeEngineer's / Bachelor of Science
Diploma typeEngineer's thesis
Author Zofia Domanowska (FP)
Zofia Domanowska,,
- Faculty of Physics
Title in PolishModel zjawiska powstawania wyładowania łukowego w procesach rozpylania magnetronowego
Supervisor Agata Fronczak (FP / PCSD)
Agata Fronczak,,
- Physics of Complex Systems Divison

Certifying unitFaculty of Physics (FP)
Affiliation unitPhysics of Complex Systems Divison (FP / PCSD)
Study subject / specializationFizyka Techniczna
Languagepl polski
StatusFinished
Defense Date11-02-2019
Issue date (year)2019
Reviewers Piotr Fronczak (FP / PCSD)
Piotr Fronczak,,
- Physics of Complex Systems Divison
, Agata Fronczak (FP / PCSD)
Agata Fronczak,,
- Physics of Complex Systems Divison
Keywords in PolishRozpylanie magnetronowe, wyładowanie łukowe, plazma, magnetron, kondensator
Keywords in Englishmagnetron sputtering, arc discharge, plasma, magnetron, capacitor
Abstract in PolishProces rozpylania magnetronowego jest jednym z zastosowań plazmy stosowanym na szeroką skalę w przemyśle. Proces ten wykorzystywany jest między innymi do powlekania elementów optycznych warstwami antyrefleksyjnymi, do powlekania przedmiotów codziennego użytku warstwami zapobiegającymi niszczeniu się, a także do produkcji ekranów dotykowych. Proces rozpylania magnetronowego przebiega w warunkach obniżonego ciśnienia. Podstawowymi składnikami rozpylanych warstw jest materiał tarczy oraz gaz roboczy np. argon. Powstające warstwy są zwykle powłokami słabo przewodzącymi prąd elektryczny. Ze względu na konstrukcję układu plazmowego oraz fizyczną naturę procesu rozpylania, warstwy nanoszone są nie tylko na docelowym elemencie produkcyjnym, ale także na powierzchni targetu. Wzrost grubości warstwy dielektrycznej oraz gromadzenie się na niej ładunku prowadzi do obniżenia wydajności procesu oraz do powstawania wyładowań łukowych. Wyładowania te prowadzą do zniszczeń powstających warstw i znaczącego obniżenia ich jakości. W celu zapobiegania przekształcania się wyładowania jarzeniowego w wyładowanie łukowe stosuje się odpowiednie zasilacze, które umożliwiają pulsowe podawanie napięcia oraz w momencie wykrycia łuku wyłączają się, dzięki czemu zgromadzony ładunek może się rozładować. Układ elektroda – warstwa izolatora – plazma można przybliżyć za pomocą obwodu elektrycznego zawierającego kondensator oraz rezystor. Na skutek procesu rozpylania w kondensatorze powstaje warstwa dielektryka. Taki model umożliwia symulowanie wartości odkładającego się ładunku oraz wpływu poszczególnych parametrów, takich jak wielkość okładek, przyłożone napięcie oraz użyty materiał, na przebieg procesu. Analiza wyników symulacji pozwala na zaobserwowanie skuteczności pulsowego podawania napięcia. W ramach tej pracy przeanalizowano warunki, przy których zachodzi wyładowanie łukowe. Wykonano symulację procesu rozpylania magnetronowego, której wyniki pozwalają na określenie parametrów procesu, dzięki którym możliwe jest ograniczenie występowania wyładowań łukowych. Potwierdzono, że zastosowanie odpowiedniego wypełnienia sygnału, przy dobranych wcześniej parametrach procesu pozwala na wydajne prowadzenie rozpylania magnetronowego bez wyładowań łukowych.
File
praca_inżynierska_Zofia_Domanowska.pdf 1.77 MB
Local fieldsIdentyfikator pracy APD: 27202

Get link to the record

Back