A detailed experimental study of high power impulse magnetron sputtering processes is performed by time-resolved imaging of the ground state sputtered particles. New details related to the behavior of both neutral and singly ionized atoms are shown, as a result of separate treatment of the plasma-on and plasma-off time phases. In Paper I, the ion/neutral density redistribution in the ionization zone during sputtering is analyzed; the role of main discharge parameters, such as pulse repetition rate, pulse energy, etc., is discussed systematically. The time-resolved evolution of the ground state levels population for both sputtered neutrals and ions is also considered. In addition, propagation of the sputtered particles is analyzed using 2D density gradient diagrams calculated based on the measured particle density distributions. The results of this work are compared, when possible, to the data obtained previously [Britun et al., J. Appl. Phys. 117, 163302 (2015)].
REFERENCES
1.
D. V.
Mozgrin
, I. K.
Fetisov
, and G. V.
Khodachenko
, Plasma Phys. Rep.
21
(5
), 400
(1995
).2.
I.
Fetisov
, A.
Filippov
, G.
Khodachenko
, D.
Mozgrin
, and A.
Pisarev
, Vacuum
53
, 133
(1999
). 3.
V.
Kouznetsov
, K.
Macak
, J. M.
Schneider
, U.
Helmersson
, and I.
Petrov
, Surf. Coat. Technol.
122
, 290
(1999
). 4.
A.
Anders
and Y.
Yang
, J. Appl. Phys.
123
, 043302
(2018
). 5.
A.
Butler
, N.
Brenning
, M. A.
Raadu
, J. T.
Gudmundsson
, T.
Minea
, and D.
Lundin
, Plasma Sources Sci. Technol.
27
, 105005
(2018
). 6.
V.
Tiron
, I. L.
Velicu
, I.
Mihăilă
, and G.
Popa
, Surf. Coat. Technol.
337
, 484
(2018
). 7.
P.
Vašina
, M.
Meško
, L.
De Poucques
, J.
Bretagne
, C.
Boisse-Laporte
, and M.
Touzeau
, Plasma Sources Sci. Technol.
17
, 035007
(2008
). 8.
D.
Benzeggouta
, M.
Hugon
, J.
Bretagne
, and M.
Ganciu
, Plasma Sources Sci. Technol.
18
, 045025
(2009
). 9.
W. P.
Leroy
, S.
Konstantinidis
, S.
Mahieu
, R.
Snyders
, and D.
Depla
, J. Phys. D Appl. Phys.
44
, 115201
(2011
). 10.
M.
Palmucci
, N.
Britun
, T.
Silva
, R.
Snyders
, and S.
Konstantinidis
, J. Phys. D Appl. Phys.
46
, 215201
(2013
). 11.
D.
Horwat
and A.
Anders
, J. Appl. Phys.
108
, 123306
(2010
). 12.
A.
Anders
, Surf. Coat. Technol.
205
, S1
(2011
). 13.
P.
Vašina
, M.
Fekete
, J.
Hnilica
, P.
Klein
, L.
Dosoudilová
, P.
Dvořák
, and Z.
Navrátil
, Plasma Sources Sci. Technol.
24
, 065022
(2015
). 14.
J.
Gudmundsson
, N.
Brenning
, D.
Lundin
, and U.
Helmersson
, J. Vac. Sci. Technol. A
30
, 030801
(2012
). 15.
A.
Ehiasarian
, W.-D.
Münz
, L.
Hultman
, U.
Helmersson
, and I.
Petrov
, Surf. Coat. Technol.
163
, 267
(2003
). 16.
A.
Ehiasarian
, J.
Wen
, and I.
Petrov
, J. Appl. Phys.
101
, 054301
(2007
). 17.
F.
Magnus
, A. S.
Ingason
, O.
Sveinsson
, S.
Olafsson
, and J.
Gudmundsson
, Thin Solid Films
520
, 1621
(2011
). 18.
P.
Souček
, J.
Daniel
, J.
Hnilica
, K.
Bernátová
, L.
Zábranskỳ
, V.
Buršíková
, M.
Stupavská
, and P.
Vašina
, Surf. Coat. Technol.
311
, 257
(2017
). 19.
U.
Helmersson
, M.
Lattemann
, J.
Bohlmark
, A. P.
Ehiasarian
, and J. T.
Gudmundsson
, Thin Solid Films
513
, 1
(2006
). 20.
J. T.
Gudmundsson
, Vacuum
84
, 1360
(2010
). 21.
K.
Sarakinos
, J.
Alami
, and S.
Konstantinidis
, Surf. Coat. Technol.
204
, 1661
(2010
). 22.
D.
Lundin
and K.
Sarakinos
, J. Mater. Res.
27
, 780
(2012
). 23.
A.
Anders
, Surf. Coat. Technol.
257
, 308
(2014
). 24.
V.
Tiron
, I.-L.
Velicu
, O.
Vasilovici
, and G.
Popa
, J. Phys. D Appl. Phys.
48
, 495204
(2015
). 25.
J.
Bradley
, A.
Mishra
, and P.
Kelly
, J. Phys. D Appl. Phys.
48
, 215202
(2015
). 26.
T.
Shimizu
, M.
Villamayor
, D.
Lundin
, and U.
Helmersson
, J. Phys. D Appl. Phys.
49
, 065202
(2016
). 27.
N.
Britun
, T.
Minea
, S.
Konstantinidis
, and R.
Snyders
, J. Phys. D Appl. Phys.
47
, 224001
(2014
). 28.
N.
Britun
and J.
Hnilica
, J. Appl. Phys.
127
, 211101
(2020
). 29.
S.
Konstantinidis
, J.
Dauchot
, M.
Ganciu
, A.
Ricard
, and M.
Hecq
, J. Appl. Phys.
99
, 013307
(2006
). 30.
J.
Alami
, K.
Sarakinos
, G.
Mark
, and M.
Wuttig
, Appl. Phys. Lett.
89
, 154104
(2006
). 31.
P.
Vašina
, M.
Meško
, J.
Imbert
, M.
Ganciu
, C.
Boisse-Laporte
, L.
De Poucques
, M.
Touzeau
, D.
Pagnon
, and J.
Bretagne
, Plasma Sources Sci. Technol.
16
, 501
(2007
). 32.
N.
Britun
, M.
Palmucci
, S.
Konstantinidis
, M.
Gaillard
, and R.
Snyders
, J. Appl. Phys.
114
, 013301
(2013
). 33.
J.
Held
, A.
Hecimovic
, A.
von Keudell
, and V.
Schulz-von der Gathen
, Plasma Sources Sci. Technol.
27
, 105012
(2018
). 34.
M.
Fekete
, J.
Hnilica
, C.
Vitelaru
, T.
Minea
, and P.
Vašina
, J. Phys. D Appl. Phys.
50
, 365202
(2017
). 35.
K.
Bernátová
, M.
Fekete
, P.
Klein
, J.
Hnilica
, and P.
Vašina
, Plasma Sources Sci. Technol.
29
, 055010
(2020
). 36.
B.
Liebig
, N. S. J.
Braithwaite
, P.
Kelly
, and J.
Bradley
, Thin Solid Films
519
, 1699
(2010
). 37.
A.
Kozyrev
, N.
Sochugov
, K.
Oskomov
, A.
Zakharov
, and A.
Odivanova
, Plasma Phys. Rep.
37
, 621
(2011
). 38.
A.
Ehiasarian
, A.
Hecimovic
, T.
De Los Arcos
, R.
New
, V.
Schulz-Von Der Gathen
, M.
Böke
, and J.
Winter
, Appl. Phys. Lett.
100
, 114101
(2012
). 39.
A.
Anders
, P.
Ni
, and A.
Rauch
, J. Appl. Phys.
111
, 053304
(2012
). 40.
A.
Hecimovic
, T.
de los Arcos
, S.
von der Gathen
, M.
Böke
, and J.
Winter
, Plasma Sources Sci. Technol.
21
, 035017
(2012
). 41.
J.
Andersson
, P.
Ni
, and A.
Anders
, Appl. Phys. Lett.
103
, 054104
(2013
). 42.
A.
Hecimovic
, V.
Schulz-von der Gathen
, M.
Böke
, A.
von Keudell
, and J.
Winter
, Plasma Sources Sci. Technol.
24
, 045005
(2015
). 43.
J.
Hnilica
, P.
Klein
, M.
Šlapanská
, M.
Fekete
, and P.
Vašina
, J. Phys. D Appl. Phys.
51
, 095204
(2018
). 44.
L.
de Poucques
, J.-C.
Imbert
, C.
Boisse-Laporte
, J.
Bretagne
, M.
Ganciu
, L.
Teulé-Gay
, and M.
Touzeau
, Plasma Sources Sci. Technol.
15
, 661
(2006
). 45.
L.
de Poucques
, J.-C.
Imbert
, C.
Boisse-Laporte
, J.
Bretagne
, M.
Ganciu
, L.
Teulé-Gay
, P.
Vasina
, and M.
Touzeau
, Plasma Processes Polym.
4
, S424
(2007
). 46.
N.
Britun
, M.
Palmucci
, S.
Konstantinidis
, and R.
Snyders
, J. Appl. Phys.
117
, 163303
(2015
). 47.
N.
Britun
, M.
Michiels
, and R.
Snyders
, Rev. Sci. Instrum.
86
, 123114
(2015
). 48.
C.
Vitelaru
, L.
de Poucques
, T.
Minea
, and G.
Popa
, J. Appl. Phys.
109
, 053307
(2011
). 49.
C.
Vitelaru
, D.
Lundin
, G.
Stancu
, N.
Brenning
, J.
Bretagne
, and T.
Minea
, Plasma Sources Sci. Technol.
21
, 025010
(2012
). 50.
V.
Sushkov
, H.
Do
, M.
Cada
, Z.
Hubicka
, and R.
Hippler
, Plasma Sources Sci. Technol.
22
, 015002
(2012
). 51.
G.
Stancu
, N.
Brenning
, C.
Vitelaru
, D.
Lundin
, and T.
Minea
, Plasma Sources Sci. Technol.
24
, 045011
(2015
). 52.
A.
Kanitz
, A.
Hecimovic
, M.
Böke
, and J.
Winter
, J. Phys. D Appl. Phys.
49
, 125203
(2016
). 53.
N.
Britun
, M.
Palmucci
, and R.
Snyders
, Appl. Phys. Lett.
99
, 131504
(2011
). 54.
M.
Palmucci
, N.
Britun
, S.
Konstantinidis
, and R.
Snyders
, J. Appl. Phys.
114
, 113302
(2013
). 55.
N.
Britun
, M.
Palmucci
, S.
Konstantinidis
, and R.
Snyders
, J. Appl. Phys.
117
, 163302
(2015
). 56.
N.
Britun
, M.
Michiels
, T.
Godfroid
, and R.
Snyders
, Appl. Phys. Lett.
112
, 234103
(2018
). 57.
J.
Bohlmark
, M.
Lattemann
, J.
Gudmundsson
, A.
Ehiasarian
, Y. A.
Gonzalvo
, N.
Brenning
, and U.
Helmersson
, Thin Solid Films
515
, 1522
(2006
). 58.
P.
Kudláček
, J.
Vlček
, K.
Burcalová
, and J.
Lukáš
, Plasma Sources Sci. Technol.
17
, 025010
(2008
). 59.
A.
Hecimovic
and A.
Ehiasarian
, J. Phys. D Appl. Phys.
42
, 135209
(2009
). 60.
G.
Greczynski
and L.
Hultman
, Vacuum
84
, 1159
(2010
). 61.
A.
Ferrec
, J.
Kéraudy
, and P.-Y.
Jouan
, Appl. Surf. Sci.
390
, 497
(2016
). 62.
R.
Hippler
, M.
Cada
, V.
Stranak
, C.
Helm
, and Z.
Hubicka
, J. Appl. Phys.
125
, 013301
(2019
). 63.
A.
Ehiasarian
, A.
Vetushka
, A.
Hecimovic
, and S.
Konstantinidis
, J. Appl. Phys.
104
, 083305
(2008
). 64.
P.
Poolcharuansin
and J.
Bradley
, Plasma Sources Sci. Technol.
19
, 025010
(2010
). 65.
D.
Lundin
, M.
Cada
, and Z.
Čada
, Plasma Sources Sci. Technol.
24
, 035018
(2015
). 66.
J.
Held
, P.
Maaß
, V.
Schulz-von der Gathen
, and A.
von Keudell
, Plasma Sources Sci. Technol.
29
, 025006
(2020
). 67.
I.
Katsumata
, Contrib. Plasma Phys.
36
, 73
(1996
). 68.
M.
Čada
, P.
Adámek
, V.
Straňák
, Š.
Kment
, J.
Olejníček
, Z.
Hubička
, and R.
Hippler
, Thin Solid Films
549
, 177
(2013
). 69.
I.-L.
Velicu
, V.
Tiron
, and G.
Popa
, Surf. Coat. Technol.
250
, 57
(2014
). 70.
A. P.
Ehiasarian
, R.
New
, W.-D.
Münz
, L.
Hultman
, U.
Helmersson
, and V.
Kouznetsov
, Vacuum
65
, 147
(2002
). 71.
M.
Hala
, N.
Viau
, O.
Zabeida
, J.
Klemberg-Sapieha
, and L.
Martinu
, J. Appl. Phys.
107
, 043305
(2010
). 72.
A.
Anders
, J.
Andersson
, and A.
Ehiasarian
, J. Appl. Phys.
102
, 113303
(2007
). 73.
D.
Lundin
, N.
Brenning
, D.
Jädernäs
, P.
Larsson
, E.
Wallin
, M.
Lattemann
, M. A.
Raadu
, and U.
Helmersson
, Plasma Sources Sci. Technol.
18
, 045008
(2009
). 74.
P. A.
Ni
, C.
Hornschuch
, M.
Panjan
, and A.
Anders
, Appl. Phys. Lett.
101
, 224102
(2012
). 75.
A.
Hecimovic
, N.
Britun
, S.
Konstantinidis
, and R.
Snyders
, Appl. Phys. Lett.
110
, 014103
(2017
). 76.
P. M.
Barker
, E.
Lewin
, and J.
Patscheider
, J. Vac. Sci. Technol. A
31
, 060604
(2013
). 77.
P. M.
Barker
, S.
Konstantinidis
, E.
Lewin
, N.
Britun
, and J.
Patscheider
, Surf. Coat. Technol.
258
, 631
(2014
). 78.
O.
Antonin
, V.
Tiron
, C.
Costin
, G.
Popa
, and T.
Minea
, J. Phys. D Appl. Phys.
48
, 015202
(2014
). 79.
R.
Hippler
, M.
Cada
, and Z.
Hubicka
, Appl. Phys. Lett.
116
, 064101
(2020
). 80.
R. A.
Gottscho
and T. A.
Miller
, Pure Appl. Chem.
56
, 189
(1984
). 81.
N.
Britun
, S.
Konstantinidis
, and R.
Snyders
, “Diagnostics of magnetron sputtering discharges by resonant absorption spectroscopy
,” in Plasma Science and Technology
, edited by T. Mieno (IntechOpen
, Rijeka
, 2016
), Chap. 12. 82.
C.
Vitelaru
, L.
de Poucques
, T.
Hytkova
, T. M.
Minea
, C.
Boisse-Laporte
, J.
Bretagne
, and G.
Popa
, Plasma Process. Polym.
6
, S326
(2009
). 83.
C.
Vitelaru
, C.
Aniculaesei
, L.
De Poucques
, T.
Minea
, C.
Boisse-Laporte
, J.
Bretagne
, and G.
Popa
, J. Phys. D Appl. Phys.
43
, 124013
(2010
). 84.
C.
Vitelaru
, L.
De Poucques
, T.
Minea
, and G.
Popa
, Plasma Sources Sci. Technol.
20
, 045020
(2011
). 85.
J.
Hnilica
, P.
Klein
, P.
Vašina
, R.
Snyders
, and N.
Britun
, J. Appl. Phys.
128
, 043304
(2020). 86.
M.
Ganciu
, M.
Hecq
, S.
Konstantinidis
, J.-P.
Dauchot
, M.
Touzeau
, L.
de Poucques
, and J.
Bretagne
, U.S. patent 7,927,466 B2 (19 April 2011).87.
P.
Klein
, J.
Hnilica
, Z.
Hubička
, M.
Čada
, M.
Šlapanská
, M.
Zemánek
, and P.
Vašina
, Plasma Sources Sci. Technol.
26
, 055015
(2017
). 88.
P.
Klein
, J.
Hnilica
, M.
Zemánek
, J.
Bradley
, and P.
Vasina
, J. Phys. D Appl. Phys.
52
, 125201
(2019
). 89.
N.
Britun
, M.
Gaillard
, S.-G.
Oh
, and J.-G.
Han
, J. Phys. D Appl. Phys.
40
, 5098
(2007
). 90.
R.
Payling
and P.
Larkins
, Optical Emission Lines of the Elements
(Wiley
, New York
, 2000
).91.
R.
Mewe
, Br. J. Appl. Phys.
18
, 107
(1967
). 92.
M.
Fekete
, K.
Bernátová
, P.
Klein
, J.
Hnilica
, and P.
Vašina
, Plasma Sources Sci. Technol.
28
, 025011
(2019
). 93.
M.
Fekete
, K.
Bernátová
, P.
Klein
, J.
Hnilica
, and P.
Vasina
, Plasma Sources Sci. Technol.
29
, 025027
(2020
). 94.
M. MATLAB, MATLAB 9.0.0.370719 http://www.mathworks.com/products/matlab/ (2018-08-16).
95.
High Power Impulse Magnetron Sputtering: Fundamentals, Technologies, Challenges and Applications, 1st ed., edited by D. Lundin, M. Tiberiu, and J. T. Gudmundsson (Elsevier, Amsterdam, 2019).
96.
A.
Revel
, T.
Minea
, and C.
Costin
, Plasma Sources Sci. Technol.
27
, 105009
(2018
). 97.
D.
Ohebsian
, N.
Sadeghi
, C.
Trassy
, and J.
Mermet
, Opt. Commun.
32
, 81
(1980
). © 2020 Author(s).
2020
Author(s)
You do not currently have access to this content.