New biased high power impulse magnetron sputtering (HiPIMS) configuration for the coating of 1.3 GHz RF cavities

Particle physics experiments are on the cutting edge of new discoveries. The radiofrequency accelerating cavities of the high energy particle accelerators, such as the Large Hadron Collider (LHC) at CERN, are a key component. These devices are needed to propel the protons to the very high energies required for the experiments. The accelerating cavities are often made of superconducting materials in order to achieve state of art performances and minimize energy consumption. Since the 1980s, CERN has developed the production technology based on the magnetron sputtering of a thin niobium layer deposited onto a copper substrate. The current RF cavities of the LHC at CERN are produced by means of the Direct Current Magnetron Sputtering (DCMS) technique. The High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) is a Physical Vapour Deposition (PVD) technique based on the sputtering process developed from the DCMS technology in order to improve the niobium film quality. The HiPIMS technique relies on very short high voltage pulses capable of producing a highly dense plasma leading in the increasing of sputtered metal atoms ionization degree. This effect results to be attractive for the application of a bias potential to the substrate. The HIPIMS coating technology is being investigated by several laboratories and companies around the world, bearing the promise of replacing the usual sputter coating technology for applications where tailoring the structure of the growing film through ion bombardment is needed. This work is intended to study the film quality produced by means of the HiPIMS technique coupled with the application of a bias potential to the substrate, and the understand of the correlation between the deposition parameters and the film quality.

Gli esperimenti di fisica delle particelle sono nel vivo di nuove scoperte. La prerogativa dei moderni acceleratori di particelle è il raggiungimento di elevate energie. Un componente chiave degli acceleratori, come il Large Hadron Collider (LHC) del CERN, sono dunque le cavità acceleranti a radiofrequenza. Le strutture acceleranti permettono il raggiungimento delle elevate energie necessarie allo svolgimento degli esperimenti. Le cavità acceleranti sono spesso costruite con materiali superconduttori in modo tale da raggiungere prestazioni allo stato dell'arte e minimizzare il consumo energetico. Dagli anni '80 il CERN ha sviluppato una tecnologia di produzione per le cavità acceleranti basata sulla depositazione di uno strato sottile di niobio eroso su un substrato di rame. La cavità a radiofrequenza dell'acceleratore LHC del CERN sono prodotte tramite l'utilizzo della tecnica Direct Current Magnetron Sputtering (DCMS). L'High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) è una tecnica di depositazione fisica da fase vapore (PVD) che si basa sul processo di erosione e sviluppata dalla tecnologia DCMS al fine di migliorare la qualità del rivestimento di niobio. La tecnica HiPIMS sfrutta brevi pulsi ad elevato potentiale in modo da generare un plasma molto denso con consequente aumento del grado di ionizzazione degli atomi metallici erosi. Questo peculiarità della tecnica HiPIMS si traduce nella possibilità di controllare il flusso e l'energia degli ioni in arrivo al substrato per mezzo dell'applicazione di un potenziale di bias. La tecnologia di rivestimento HiPIMS è in fase di studio e sviluppo in diversi laboratori e società in tutto il mondo, mantenendo l'iniziale aspettativa di rimpiazzare la classica tecnologia ad erosione per le applicazioni in cui è necessario il controllo della struttura del film durante il processo di depositazione attraverso il bombardamento ionico. Lo scopo di questo lavoro è quindi lo studio della qualità del rivestimento generato tramite la tecnica HiPIMS e l'applicazione di un potenziale di bias al substrato, nonché la comprensione delle correlazioni tra i parametri di depositazione e le caratteristiche del rivestimento.