Krachtige Impuls Magnetron Sputtering

Hoogvermogen impulsmagnetisch sputteren (HIPIMS of HiPIMS, ook bekend als hoogvermogen gepulst magnetron sputteren, HPPMS) is een methode voor fysische dampafzetting van dunne films die gebaseerd is op magnetron sputterafzetting. HIPIMS gebruikt extreem hoge vermogensdichtheden in de orde van kW ∙ cm ^-2 in korte pulsen (impulsen) van tientallen microseconden bij lage inschakelduur (aan / uit-tijdverhouding) van <> Onderscheidende kenmerken van HIPIMS zijn een hoge mate van ionisatie van het gesputterde metaal en een hoge mate van moleculaire gasdissociatie die resulteren in een hoge dichtheid van afgezette films. De ionisatie- en dissociatiegraad neemt toe volgens het piekkathodevermogen. De limiet wordt bepaald door de overgang van de ontlading van de gloei naar de boogfase. Het piekvermogen en de werkcyclus worden zo gekozen dat een gemiddeld kathodevolume wordt behouden dat vergelijkbaar is met conventioneel sputteren (1-10 W ∙ cm ^-2 ).

HIPIMS wordt gebruikt voor:

●   adhesiebevorderende voorbehandeling van het substraat voorafgaand aan coatingafzetting (substraatetsing)

●   depositie van dunne films met hoge microstructuurdichtheid

HIPIMS plasma-ontlading

HIPIMS-plasma wordt gegenereerd door een gloeiontlading waarbij de ontladingsstroomdichtheid verschillende A ∙ cm ^-2 kan bereiken, terwijl de ontlaadspanning op enkele honderden volt wordt gehouden. De ontlading is homogeen verdeeld over het oppervlak van de kathode (doel) maar boven een bepaalde drempel van stroomdichtheid wordt het geconcentreerd in smalle ionisatiezones die langs een pad bewegen dat bekend staat als de doelerosie "circuit".

HIPIMS genereert een plasma met hoge dichtheid in de orde van 1013 ionen ∙ cm- ³ met hoge fracties van doel-metaalionen. Het belangrijkste ionisatiemechanisme is elektronenimpact, dat wordt gecompenseerd door ladingsuitwisseling, diffusie en plasma-uitwerping in fakkels. De ionisatiesnelheden zijn afhankelijk van de plasmadichtheid.

De ionisatiegraad van de metaaldamp is een sterke functie van de piekstroomdichtheid van de ontlading. Bij hoge stroomdichtheden kunnen gesputterde ionen met lading van 2+ of hoger - tot 5+ voor V - worden gegenereerd. Het uiterlijk van doel-ionen met een ladingstoestand groter dan 1+ is verantwoordelijk voor een mogelijk secundair elektronenemissieproces dat een hogere emissiecoëfficiënt heeft dan de kinetische secundaire emissie die wordt aangetroffen in conventionele glimontladingen. Het vaststellen van een mogelijke secundaire elektronenemissie kan de stroom van de ontlading verbeteren.

HIPIMS wordt meestal gebruikt in de modus korte puls (impuls) met een lage inschakelduur om oververhitting van het doelwit en andere systeemcomponenten te voorkomen. In elke puls doorloopt de ontlading verschillende stadia:

●   elektrische storing

●   gas plasma

●   metaal plasma

●   steady state, die kan worden bereikt als het metaalplasma voldoende dichtheid heeft om effectief over het gasplasma te domineren.

De negatieve spanning (voorspanning) die op het substraat wordt uitgeoefend, beïnvloedt de energie en bewegingsrichting van de positief geladen deeltjes die het substraat raken. De aan-uitcyclus heeft een periode in de orde van milliseconden. Omdat de werkcyclus klein is (<10%), is="" alleen="" het="" lage="" gemiddelde="" kathodevolume="" het="" resultaat="" (1-10=""> Het doel kan afkoelen tijdens de "uit-tijd", waardoor de processtabiliteit behouden blijft.

De ontlading die HIPIMS onderhoudt, is een hoogstroomgloedontlading, die van voorbijgaande of quasi-status is. Elke puls blijft een gloei tot een kritieke duur, waarna hij overgaat naar een boogontlading. Als de pulslengte onder de kritische waarde wordt gehouden, werkt de ontlading op een stabiele manier voor onbepaalde tijd.

De eerste waarnemingen door snelle camerabeeldvorming in 2008 werden onafhankelijk geregistreerd, aangetoond met een betere precisie en bevestigd, wat aantoont dat de meeste ionisatieprocessen plaatsvinden in ruimtelijk zeer beperkte ionisatiezones. De driftsnelheid werd gemeten in de orde van 104 m / s, wat ongeveer slechts 10% van de elektronendriftsnelheid is.

Substraat voorbehandeling door HIPIMS

Substraat voorbehandeling in een plasma-omgeving is vereist voorafgaand aan de depositie van dunne films op mechanische componenten zoals auto-onderdelen, metalen snijgereedschappen en decoratieve hulpstukken. De substraten worden ondergedompeld in een plasma en vooringesteld op een hoge spanning van enkele honderden volt. Dit veroorzaakt een ionenbombardement met hoge energie dat elke verontreiniging wegspoelt. In gevallen waarin het plasma metaalionen bevat, kunnen deze tot een diepte van enkele nm in het substraat worden geïmplanteerd. HIPIMS wordt gebruikt voor het genereren van een plasma met een hoge dichtheid en een hoog aandeel aan metaalionen. Wanneer de film-substraatinterface in dwarsdoorsnede wordt bekeken, kan men een schone interface zien. Epitaxie of atomaire registratie is typisch tussen het kristal van een nitridefilm en het kristal van een metaalsubstraat wanneer HIPIMS wordt gebruikt voor voorbehandeling. HIPIMS werd in februari 2001 voor het eerst gebruikt door AP Ehiasarian voor de voorbehandeling van stalen substraten.

Substraatbelastingen tijdens de voorbehandeling maken gebruik van hoge spanningen, waarvoor een speciaal ontworpen boogdetectie- en -onderdrukkingstechnologie vereist is. Specifieke DC-substraatvoorspanningseenheden bieden de meest veelzijdige optie omdat ze de substraatetsnelheden maximaliseren, substraatschade minimaliseren en kunnen werken in systemen met meerdere kathodes. Een alternatief is het gebruik van twee HIPIMS-voedingen die zijn gesynchroniseerd in een master-slave-configuratie: een om de ontlading vast te stellen en een om een ​​gepulseerde substraatbias te produceren.

Dunne-filmdepositie door HIPIMS

Dunne films die zijn afgezet door HIPIMS bij ontlaadstroomdichtheid> 0,5 A · cm ^-2 hebben een dichte kolomvormige structuur zonder holten. De afzetting van koperfilms door HIPIMS werd voor het eerst gerapporteerd door V. Kouznetsov voor het aanbrengen van vulmagneten van 1 μm met een beeldverhouding van 1: 1,2

Transition metal nitride (CrN) dunne films werden voor het eerst gedeponeerd door HIPIMS in februari 2001 door AP Ehiasarian. Het eerste grondige onderzoek van films die door HIPIMS zijn gedeponeerd door TEMdemonstreerde een dichte microstructuur, vrij van grootschalige defecten. De films hadden een hoge hardheid, goede corrosieweerstand en lage glijdende slijtagecoëfficiënt. De commercialisering van de HIPIMS-hardware die daarop volgde, maakte de technologie toegankelijk voor de bredere wetenschappelijke gemeenschap en zorgde voor ontwikkelingen op een aantal gebieden.

De volgende materialen zijn onder andere met succes door HIPIMS gedeponeerd:

●   Corrosiebestendig: CrN / NbN multilayer op nanoschaal

●   Oxidatiebestendig: CrAlYN / CrN , meerlagig, op nanoschaal ,   Ti-Al-Si-N, Cr-Al-Si-N nanocomposiet

●   Optisch: Ag, TiO ₂ , ZnO, InSnO, ZrO ₂ , CuInGaSe

●   MAX-fasen: TiSiC

●   Micro-elektronica: Cu, Ti, TiN, Ta, TaN

●   Harde coatings: koolstoffitride CN _x

●   Hydrofoob: HfO ₂

voordelen

De belangrijkste voordelen van HIPIMS-coatings zijn onder meer een morfologie met een dichtere coating en een verhoogde verhoudingsverhouding van hardheid tot Young-modulus in vergelijking met conventionele PVD-coatings. Terwijl vergelijkbare conventionele nanogestructureerde (Ti, Al) N-coatings een hardheid van 25 GPa en een Young-modulus van 460 GPa hebben, is de hardheid van de nieuwe HIPIMS-coating hoger dan 30 GPa met een Young-modulus van 368 GPa. De verhouding tussen hardheid en Young-modulus is een maat voor de taaiheidseigenschappen van de coating. De gewenste toestand is een hoge hardheid met een relatief kleine Young-modulus, zoals die te vinden is in HIPIMS-bekledingen. Onlangs werden innovatieve toepassingen van HIPIMS gecoate oppervlakken voor biomedische toepassingen gerapporteerd door Rtimi et al.