High Power Impulse Magnetron Sputtering

High-power impulse magnetron sputtering (HIPIMS eller HiPIMS, også kjent som pulsed magnetron sputtering, HPPMS) er en metode for fysisk dampavsetning av tynne filmer som er basert på magnetron sputter deponering. HIPIMS benytter ekstremt høye effektdensiteter i størrelsesorden kW ∙ cm ^-2 i korte pulser (impulser) med titalls mikrosekunder ved lav syklus (på / av tid) på <> Distinkende trekk ved HIPIMS er en høy grad av ionisering av sputtermetallet og en høy grad av molekylær gassdissociasjon som resulterer i høy tetthet av avsatte filmer. Joniserings- og dissosiasjonsgraden øker i henhold til toppkatodeffekten. Grensen bestemmes av overgangen av utslippet fra lys til buefase. Toppkraft og driftssyklus velges for å opprettholde en gjennomsnittlig katodekraft tilsvarende konvensjonell forstøvning (1-10 W ∙ cm ^-2 ).

HIPIMS brukes til:

●   adhesjonsforbedrende forbehandling av substratet før belegningsavsetning (substrat-etsing)

●   avsetting av tynne filmer med høy mikrostruktur tetthet

HIPIMS plasmautladning

HIPIMS plasma genereres av en glødutladning der utslippsstrømteten kan nå flere A ∙ cm ^-2 , mens utladningsspenningen holdes på flere hundre volt. Utløpet er homogent fordelt over overflaten av katoden (målet), men over en bestemt terskel av nåværende tetthet blir den konsentrert i smale ioniseringssoner som beveger seg langs en sti kjent som målosjonen "racetrack".

HIPIMS genererer et plasma med høy tetthet i størrelsesorden 1013 ioner ∙ cm ^{-3 som} inneholder høye brøkdeler av målmetallioner. Hoved ioniseringsmekanismen er elektronpåvirkning, som er balansert ved ladingbytting, diffusjon og plasmautkastning i bluss. Joniseringshastighetene avhenger av plasmadensiteten.

Joniseringsgraden av metalldampen er en sterk funksjon av toppstrømstrømens tetthet. Ved høy strømdensitet kan sputterte ioner med ladning 2+ og høyere - opp til 5+ for V - genereres. Utseendet til målioner med ladestatus høyere enn 1+ er ansvarlig for en potensiell sekundær elektronutslippsprosess som har en høyere utslippskoeffisient enn den kinetiske sekundære utslipp som finnes i konvensjonelle glødutladninger. Etablering av potensiell sekundærelektronutslipp kan øke strømmen av utladningen.

HIPIMS drives vanligvis i kort puls (impuls) modus med lav syklus for å unngå overoppheting av mål og andre systemkomponenter. I hver puls går utslippet gjennom flere faser:

●   elektrisk sammenbrudd

●   gassplasma

●   metallplasma

●   steady state, som kan nås dersom metallplasmaet er tett nok til å dominere effektivt over gassplasmaet.

Den negative spenningen (forspenning) som påføres substratet, påvirker energien og bevegelsesretningen til de positivt ladede partiklene som rammer substratet. On-off syklusen har en periode på rekkefølgen av millisekunder. Fordi arbeids syklusen er liten (<10%), er="" bare="" lav="" gjennomsnittlig="" katodeffekt="" resultatet="" (1-10=""> Målet kan kjøle seg ned under "off-tiden", og dermed opprettholde prosessstabilitet.

Utløpet som opprettholder HIPIMS er en høy-strøm glødutladning, som er forbigående eller kvasistasjonær. Hver puls forblir en glød opp til en kritisk varighet, hvorpå den overgår til en bueutløp. Hvis pulslengden holdes under kritikken, opererer utslippet på en stabil måte på ubestemt tid.

Første observasjoner ved rask kameraopptak i 2008 ble registrert uavhengig, demonstrert med bedre presisjon, og bekreftet at de fleste ioniseringsprosesser forekommer i romlig svært begrensede ioniseringssoner. Driftshastigheten ble målt til å være av størrelsesorden 104 m / s, som er omtrent bare 10% av elektrondriftshastigheten.

Substrate forbehandling av HIPIMS

Forbehandling av substrat i et plasmamiljø kreves før avsetting av tynne filmer på mekaniske komponenter som automotive deler, metall skjæreverktøy og dekorative beslag. Substratet er nedsenket i et plasma og forspent til en høyspenning på noen få hundre volt. Dette fører til høy energi ion bombardement som sputter bort noen forurensning. I tilfeller der plasma inneholder metallioner, kan de implanteres i substratet til en dybde på noen få nm. HIPIMS brukes til å generere et plasma med høy tetthet og høy andel metallioner. Når man ser på film-substratgrensesnittet i tverrsnitt, kan man se et rent grensesnitt. Epitaks eller atomregister er typisk mellom krystallet av en nitridfilm og krystallet av et metallsubstrat når HIPIMS brukes til forbehandling. HIPIMS har blitt brukt til forbehandling av stålunderlag for første gang i februar 2001 av AP Ehiasarian.

Substrateforspenning under forbehandling bruker høy spenning, noe som krever spesialdesignet lysdeteksjons- og undertrykkelsesteknologi. Dedikerte DC-substratforspenningsenheter gir det mest allsidige alternativet da de maksimerer substratets etsingshastigheter, minimerer substratskader, og kan operere i systemer med flere katoder. Et alternativ er bruken av to HIPIMS-strømforsyninger synkronisert i en master-slave-konfigurasjon: en for å etablere utladningen og en for å produsere en pulserende substratforspenning.

Tynnfilmavsetning ved HIPIMS

Tynne filmer avsatt av HIPIMS ved utladningsstrøm tetthet> 0,5 A · cm ^-2 har en tett kolonnerstruktur uten hulrom. Avsetningen av kobberfilmer fra HIPIMS ble rapportert for første gang av V. Kouznetsov for påføring av fylling av 1 μm vias med et forholdsforhold på 1: 1,2

Overgangsmetallitrid (CrN) tynne filmer ble avsatt av HIPIMS for første gang i februar 2001 av AP Ehiasarian. Den første grundige undersøkelsen av filmer avsatt av HIPIMS av TEMdemonstrated en tett mikrostruktur, fri for storskalafeil. Filmen hadde en høy hardhet, god korrosjonsbestandighet og lav glidende slitekoeffisient. Kommersialiseringen av HIPIMS-maskinvare som fulgte gjorde teknologien tilgjengelig for det bredere vitenskapelige samfunn og utløste utviklingen på en rekke områder.

Følgende materialer har blant annet blitt avsatt vellykket av HIPIMS:

●   Korrosjonsbestandig: CrN / NbN nanoskala flerlag

●   Oksidasjonsbestandig: CrAlYN / CrN , nanoskala , flerlags,   Ti-Al-Si-N, Cr-Al-Si-N nanokompositt

●   Optisk: Ag, Ti02, ZnO, InSnO, Zr02, CuInGaSe

●   MAX-faser: TiSiC

●   Mikroelektronikk: Cu, Ti, TiN, Ta, TaN

●   Hardbelegg: karbonnitrid CN _x

●   Hydrofobe: HfO2

Fordeler

De viktigste fordelene ved HIPIMS-belegg omfatter en tettere beleggmorfologi og et økt forhold av hardhet til Youngs modul i forhold til konvensjonelle PVD-belegg. Mens sammenlignbare konvensjonelle nanostrukturerte (Ti, Al) N belegg har en hardhet på 25 GPa og en Youngs modul på 460 GPa, er hardheten til det nye HIPIMS-belegget høyere enn 30 GPa med en Youngs modul på 368 GPa. Forholdet mellom hardhet og Youngs modul er et mål på beleggets seighetskarakteristikker. Den ønskelige tilstanden er høy hardhet med en relativt liten Youngs modul, som finnes i HIPIMS belegg. Nylig ble nyskapende anvendelser av HIPIMS-belagte overflater for biomedisinske applikasjoner rapportert av Rtimi et al.