High Power Impulse Magnetron Sputtering

High-power impulse magnetron sputtering (HIPIMS eller HiPIMS, også kendt som højpuls magnetron sputtering, HPPMS) er en metode til fysisk dampaflejring af tynde film, der er baseret på magnetron sputter deposition. HIPIMS anvender ekstremt høje effektdensiteter i størrelsesordenen kW ∙ cm ^-2 i korte pulser (impulser) på titusen mikrosekunder ved lav arbejdscyklus (på / off-tid) på <> Kendetegnende for HIPIMS er en høj grad af ionisering af det sputterede metal og en høj grad af molekylært gasdissociation, hvilket resulterer i høj densitet af afsatte film. Joniserings- og dissociationsgraden øges i henhold til topkatodeffekten. Grænsen bestemmes af overgangen af ​​udladningen fra glød til buefase. Topkraft og arbejdscyklus vælges for at opretholde en gennemsnitlig katodekraft svarende til konventionel sputtering (1-10 W ∙ cm ^-2 ).

HIPIMS bruges til:

●   vedhæftningsfremmende forbehandling af substratet forud for belægningsaflejring (substratetsning)

●   afsætning af tynde film med høj mikrostrukturdensitet

HIPIMS plasmaudladning

HIPIMS plasma genereres ved en glødudladning, hvor udladningsstrømtætheden kan nå flere A ∙ cm ^-2 , mens udladningsspændingen opretholdes ved flere hundrede volt. Udledningen er homogent fordelt over katodens overflade (mål), men over en bestemt tærskel af strømtætheden bliver den koncentreret i smalle ioniseringszoner, der bevæger sig langs en vej kendt som målosion "racetrack".

HIPIMS genererer et højdensitetsplasma i størrelsesordenen 1013 ioner ∙ cm ^{-3, der} indeholder høje brøkdele af målmetalioner. Hoved ioniseringsmekanismen er elektronpåvirkning, som afbalanceres ved ladning, diffusion og plasmaudstødning i blusser. Joniseringshastigheden afhænger af plasmadensiteten.

Joniseringsgraden af ​​metaldampen er en stærk funktion af udladningens topstrømtæthed. Ved høje strømtætheder kan sputterede ioner med ladning 2+ og højere - op til 5+ for V - genereres. Udseendet af målioner med ladestatus højere end 1+ er ansvarlig for en potentiel sekundær elektronemissionsproces, som har en højere emissionskoefficient end den kinetiske sekundære emission, som findes i konventionelle glødudladninger. Etablering af en potentiel sekundær elektronemission kan forbedre udstrømningsstrømmen.

HIPIMS drives typisk i kort puls (impuls) mode med en lav driftscyklus for at undgå overophedning af målet og andre systemkomponenter. I hver puls går udladningen gennem flere faser:

●   elektrisk nedbrydning

●   gas plasma

●   metal plasma

●   steady state, som kan nås, hvis metalplasmaet er tæt nok til effektivt at dominere over gasplasmaet.

Den negative spænding (forspænding), der påføres substratet, påvirker energi og bevægelsesretningen af ​​de positivt ladede partikler, der rammer substratet. On-off-cyklen har en periode på rækkefølgen af ​​millisekunder. Da arbejdscyklussen er lille (<10%), er="" kun="" lavt="" gennemsnitlig="" katodeffekt="" resultatet="" (1-10=""> Målet kan afkøle i "slukket tid" og derved opretholde processtabilitet.

Den udledning, der opretholder HIPIMS, er en høj-strøm glødudladning, som er forbigående eller kvasistationær. Hver puls forbliver en glød op til en kritisk varighed, hvorefter den overgår til en bueudladning. Hvis pulslængden holdes under kritikken, fungerer udladningen stabilt på ubestemt tid.

Indledende observationer ved hurtig kameraafbildning i 2008 blev registreret uafhængigt, demonstreret med bedre præcision og bekræftet at demonstrere, at de fleste ioniseringsprocesser forekommer i rumligt meget begrænsede ioniseringszoner. Driftshastigheden blev målt til at være af størrelsesordenen 104 m / s, hvilket kun er ca. 10% af elektrondriftshastigheden.

Substratebehandling af HIPIMS

Forbehandling af substrat i et plasmamiljø er påkrævet forud for deponering af tynde film på mekaniske komponenter, såsom automotive dele, metalskæringsværktøjer og dekorative beslag. Substraterne er nedsænket i et plasma og forspændt til en højspænding på nogle få hundrede volt. Dette forårsager høj energi ion bombardement, der sputter væk enhver forurening. I tilfælde, hvor plasmaet indeholder metalioner, kan de implanteres i substratet til en dybde på nogle få nm. HIPIMS bruges til at generere et plasma med høj densitet og høj andel metalioner. Når man ser på film-substrat-grænsefladen i tværsnit, kan man se en ren grænseflade. Epitaks eller atomregister er typisk mellem krystal af en nitridfilm og krystal af et metalsubstrat, når HIPIMS anvendes til forbehandling. HIPIMS er blevet brugt til forbehandling af stålsubstrater for første gang i februar 2001 af AP Ehiasarian.

Substrateforskydning under forbehandling bruger høje spændinger, som kræver målrettet bue detektering og undertrykkelse teknologi. Dedikerede DC substratforspændingsenheder giver den mest alsidige mulighed, da de maksimerer substratets ætsningshastigheder, minimerer substratskader og kan fungere i systemer med flere katoder. Et alternativ er brugen af ​​to HIPIMS strømforsyninger synkroniseret i en master-slave konfiguration: en til at etablere udladningen og en til at producere en pulserende substrat forspænding.

Tyndfilmafsætning ved HIPIMS

Tynde film, der er afsat af HIPIMS ved udladningsstrømstæthed> 0,5 A · cm ^-2, har en tæt kolonnerstruktur uden hulrum. Aflejringen af ​​kobberfilm fra HIPIMS blev for første gang rapporteret af V. Kouznetsov til påføring af påfyldning af 1 μm via med et forholdsforhold på 1: 1,2

Overgangsmetalnitrid (CrN) tynde film blev deponeret af HIPIMS for første gang i februar 2001 af AP Ehiasarian. Den første grundige undersøgelse af film deponeret af HIPIMS ved TEMdemonstrated en tæt mikrostruktur, fri for storskala fejl. Filmene havde en høj hårdhed, god korrosionsbestandighed og lav slidstyrke. Den kommercialisering af HIPIMS-hardware, der fulgte efter, gjorde teknologien tilgængelig for det bredere videnskabelige samfund og udløste udviklingen på en række områder.

Følgende materialer er blandt andet blevet deponeret succesfuldt af HIPIMS:

●   Korrosionsbestandig: CrN / NbN nanoskala multilag

●   Oxidationsbestandig: CrAlYN / CrN , nanoskala , flerlags,   Ti-Al-Si-N, Cr-Al-Si-N nanokomposit

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

●   MAX faser: TiSiC

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

●   Hårde Coatings: carbon nitrid CN _x

●   Hydrofobe: HfO2

Fordele

De vigtigste fordele ved HIPIMS-belægninger omfatter en tættere belægningsmorfologi og et forøget forhold mellem hårdhed og Youngs modul sammenlignet med konventionelle PVD-belægninger. Hvor sammenlignelige konventionelle nanostrukturerede (Ti, Al) N belægninger har en hårdhed på 25 GPa og en Youngs modul på 460 GPa, er hårdheden af ​​den nye HIPIMS belægning højere end 30 GPa med en Youngs modul på 368 GPa. Forholdet mellem hårdhed og Youngs modul er et mål for coatingens sejhedsegenskaber. Den ønskelige tilstand er høj hårdhed med et forholdsvis lille Youngs modul, som det kan findes i HIPIMS-belægninger. For nylig blev innovative applikationer af HIPIMS-belagte overflader til biomedicinske anvendelser rapporteret af Rtimi et al.