Development and study of hybrid PVD-PECVD process

Mgr. Tereza Schmidtová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Tato práce se věnuje studiu hybridního PVD-PECVD procesu titanového naprašování v atmosféře obsahující argon a acetylen. PVD část tohoto depozičního procesu je fyzikální rozprašování kovového terče. PECVD část je schopnost fragmentů acetylenu chemicky reagovat v plazmatu a na površích reaktoru (včetně terče i substrátu) i s nimi samotnými. Tento hybridní depoziční proces byl studován experimentálně z pohledu diagnostiky procesu i analýzy vlastností deponovaných vrstev. Teoretická část se zabývá i počítačovým modelováním procesu na základě experimentálně pozorovaného chování s teoretickými domněnkami o procesech probíhajících během rozprašování, konkrétně o růstu otrávené vrstvy na terči během depozice. Tento růst uhlíkových vrstev na terči je klíčový k pochopení chování hybridního PVD-PECVD depozičního procesu, které dosud nebylo popsáno ani studováno. Hybridním PVD-PECVD procesem byly deponovány nanokompozitní tenké vrstvy, které obsahují tvrdá zrna nanokrystalického titan karbidu uložené v měkké amorfní hydrogenizované uhlíkové vrstvě, zkráceně nc-TiC/a-C:H. Tato práce se věnuje analýze chemického složení, mikrostruktury a mechanických vlastností těchto nanokompozitních vrstev. Za optimálních depozičních podmínek tyto vrstvy vykazovaly dobrou přilnavost k substrátu, byly velice tvrdé s dobrými mechanickými a tribologickými vlastnostmi. Tato disertační práce je sestavena z článků publikovaných v recenzovaných časopisech. Prezentované články vznikly s přispěním autora této práce. Ke každému článku je připojen komentář obsahující motivaci a vyzdvihnutí nejdůležitějších výsledků. Nakonec je připojen komentář k pracem citujícím prezentované články a k vlivu prezentovaných článků na další výzkum od doby jejich publikace.

Abstract:

This work studies the hybrid PVD-PECVD process of titanium sputtering in argon and acetylene atmosphere. The PVD aspect of this deposition process is the physical process of metal target sputtering. The PECVD aspect of this process is the ability of the acetylene fragments to chemically interact in plasma volume and at/with surfaces, including the target and the substrate. This hybrid deposition process was studied experimentally, both from the viewpoint of process diagnostics and analysis of deposited coating properties. The theoretical part of this study also deals with process modeling utilizing the experimentally observed behavior with theoretical assumptions about specific processes occurring during sputtering, namely the compound forming on the target surface. The gained insight into target poisoning by carbon compounds allowed a better understanding of the process behavior that had not been previously reported. Using the hybrid PVD-PECVD process, nanocomposite thin films were deposited with hard grains of nanocrystalline titanium carbide that were embedded in a soft amorphous hydrogenated carbon matrix, shortly nc-TiC/a-C:H. These coatings' chemical composition, microstructure, and mechanical properties are studied. For optimal deposition conditions, they are well adherent, show high hardness, good mechanical and tribological properties. This dissertation is prepared with a compilation of published papers in peer-reviewed journals, where the author made a significant contribution. For each publication, a commentary is added, with the motivation and major findings highlighted. A commentary on the influence of the published papers on further research is given.

Keywords

magnetronové naprašování, reaktivní rozprašování, hysterezní chování, hybridní PVD-PECVD proces, Bergův model, model hybridního PVD-PECVD procesu, tenké vrstvy, nanokompozity, nc-TiC/a-C:H, magnetron sputtering, reactive sputtering, hysteresis behavior, hybrid PVD-PECVD process, Berg's model, model of hybrid PVD-PECVD, thin film coatings, nanocomposites

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 12. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 18. 1. 2022
• Supervisor: prof. Mgr. Petr Vašina, Ph.D.
• Reader: Dr. Katalin Balázsi, doc. RNDr. František Lofaj, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Plasma Physics