Sputtering impulsiv Magnetron de mare putere

Dispozitivul de pulverizare cu magnetron impulsiv de mare putere (HIPIMS sau HiPIMS, cunoscut și ca pulverizator cu magnetron pulsatoriu de înaltă putere, HPPMS) este o metodă pentru depunerea fizică a vaporilor de filme subțiri care se bazează pe depunerea de pulverizatoare de magnetron. HIPIMS utilizează densități de putere extrem de mari, de ordinul kW ∙ cm ^-2, în impulsuri scurte (impulsuri) de zeci de microsecunde la un ciclu de funcționare redus (raport timp de pornire / oprire) de <> Caracteristicile distinctive ale HIPIMS sunt un grad ridicat de ionizare a metalului pulverizat și o rată ridicată de disociere a gazelor moleculare, care are ca rezultat o densitate mare a filmelor depuse. Gradul de ionizare și de disociere crește în funcție de puterea catodului de vârf. Limita este determinată de trecerea fazei de descărcare de la strălucire la arc. Puterea de vârf și ciclul de funcționare sunt alese astfel încât să mențină o putere catodică medie similară pulverizării convenționale (1-10 W ∙ cm ^-2 ).

HIPIMS este utilizat pentru:

●   îmbunătățirea aderenței pre-tratarea substratului înainte de depunerea stratului de acoperire (gravarea substratului)

●   depunerea de filme subțiri cu o densitate mare a microstructurii

HIPIMS de descărcare în plasmă

Plasma HIPIMS este generată de o descărcare cu strălucire, unde densitatea curentului de descărcare poate atinge mai multe A ∙ cm ^-2 , în timp ce tensiunea de descărcare este menținută la câteva sute de volți. Descărcarea este distribuită omogen pe suprafața catodului (țintă) cu toate acestea peste un anumit prag de densitate a curentului, devine concentrată în zonele de ionizare înguste care se deplasează de-a lungul unei căi cunoscute ca "pista de curse" a eroziunii țintă.

HIPIMS generează o plasmă de înaltă densitate de ordinul a 1013 ioni ∙ cm ^-3 conținând fracțiuni ridicate de ioni metalici țintă. Principalul mecanism de ionizare este impactul cu electroni, echilibrat prin schimbul de sarcină, difuzie și ejecția de plasmă în flare. Ratele de ionizare depind de densitatea plasmei.

Gradul de ionizare al vaporilor metalici este o funcție puternică a densității de vârf a curentului de descărcare. La densități mari de curent, ionii pulverizați cu încărcare 2+ și mai mari - până la 5+ pentru V - pot fi generați. Apariția ionilor țintă cu stări de încărcare mai mari decât 1+ este responsabilă de un proces potențial de emisie secundară a electronilor care are un coeficient de emisie mai mare decât emisia secundară cinetică găsită în descărcările convenționale de stingere. Stabilirea unei posibile emisii de electroni secundari poate spori curentul descărcării.

HIPIMS funcționează în mod obișnuit în modul puls scurt (impuls) cu un ciclu de funcționare redus, pentru a evita supraîncălzirea componentei țintă și a altor componente ale sistemului. În fiecare puls, descărcarea trece prin mai multe etape:

●   defalcare electrică

●   gaz plasma

●   plasmă metalică

●   starea de echilibru, care poate fi atinsă dacă plasmă metalică este suficient de densă pentru a domina în mod eficient asupra plasmei gazoase.

Tensiunea negativă (tensiunea de polarizare) aplicată pe substrat influențează energia și direcția de mișcare a particulelor încărcate pozitiv care au lovit substratul. Ciclul de oprire are o perioadă de ordinul milisecundelor. Deoarece ciclul de funcționare este mic (<10%), rezultatul="" este="" numai="" puterea="" catodică="" medie="" (1-10=""> Ținta se poate răci în timpul "timpului de oprire", menținând astfel stabilitatea procesului.

Descărcarea care menține HIPIMS este o descărcare gravă a curentului de mare intensitate, care este tranzitorie sau cvasistațională. Fiecare impuls rămâne o strălucire până la o durată critică după care trece pe o descărcare de arc. Dacă lungimea pulsului este menținută sub critică, descărcarea funcționează într-un mod stabil pe o perioadă nedeterminată.

Observațiile inițiale prin imagistica cu cameră rapidă în 2008 au fost înregistrate independent, demonstrat cu o precizie mai bună și au confirmat că majoritatea proceselor de ionizare apar în zonele de ionizare foarte limitate din punct de vedere spațial. Viteza de derivație a fost măsurată astfel încât să fie de ordinul a 104 m / s, ceea ce reprezintă aproximativ 10% din viteza de derivație a electronului.

Pre-tratarea substratului de către HIPIMS

Pre-tratarea substratului într-un mediu cu plasmă este necesară înainte de depunerea peliculelor subțiri pe componente mecanice, cum ar fi piese auto, scule de tăiat metal și fitinguri decorative. Substraturile sunt scufundate într-o plasmă și influențate la o tensiune ridicată de câteva sute de volți. Acest lucru cauzează bombardarea cu ioni de energie înaltă, care împrăștie orice contaminare. În cazurile în care plasma conține ioni metalici, ele pot fi implantate în substrat la o adâncime de câteva nm. HIPIMS este utilizat pentru a genera o plasmă cu densitate mare și proporție mare de ioni metalici. Când privim interfața film-substrat în secțiune transversală, se poate vedea o interfață curată. Epitaxia sau registrul atomic este tipic între cristalul unei pelicule de nitruri și cristalul unui substrat metalic atunci când HIPIMS este utilizat pentru pretratare. HIPIMS a fost utilizat pentru pre-tratarea substraturilor de oțel pentru prima dată în februarie 2001 de către AP Ehiasarian.

Deformarea substratului în timpul pre-tratamentului folosește tensiuni înalte, care necesită tehnologie de detectare a arcului și tehnologia de suprimare a obiectelor. Suporturile de polarizare a substratului DC asigură cea mai versatilă opțiune, deoarece maximizează rata de etanșare a substratului, minimizează deteriorarea substratului și poate funcționa în sisteme cu catode multiple. O alternativă este utilizarea a două surse de alimentare HIPIMS sincronizate într-o configurație master-slave: una pentru a stabili descărcarea și una pentru a produce o impedanță substrat pulsată.

Depunerea filmului subțire de către HIPIMS

Filmele subțiri depuse de HIPIMS la o densitate a curentului de descărcare> 0,5 A · cm2 au o structură coloană densă fără goluri. Depunerea peliculelor de cupru de către HIPIMS a fost raportată pentru prima oară de către V. Kouznetsov pentru aplicarea învelișului de umplere de 1 μm cu raport de aspect de 1: 1,2

Filmele subțiri de nitrură metalică de tranziție (CrN) au fost depuse de HIPIMS pentru prima dată în februarie 2001 de AP Ehiasarian. Prima investigație minuțioasă a filmelor depuse de HIPIMS de către TEM demonstrează o microstructură densă, lipsită de defecte de dimensiuni mari. Filmele au o duritate mare, o bună rezistență la coroziune și un coeficient scăzut de uzură alunecător. Comercializarea hardware-ului HIPIMS care a urmat a făcut ca tehnologia să fie accesibilă comunității științifice mai largi și a declanșat evoluții în mai multe domenii.

Următoarele materiale au fost, printre altele, depuse cu succes de HIPIMS:

●   Rezistență la coroziune: multistrat nanometric CrN / NbN

●   Rezistență la oxidare: CrAlYN / CrN , nanoscale , multistrat,   Ti-Al-Si-N, Cr-Al-Si-N nanocompozit

●   Optica: Ag, TiO2, ZnO, InSnO, ZrO2, CuInGaSe

●   Fazele MAX: TiSiC

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

●   Acoperiri dure: nitrura de carbon CN _x

●   Hidrofob: HfO2

avantaje

Principalele avantaje ale acoperirilor HIPIMS includ o morfologie de acoperire mai densă și un raport de duritate crescut față de modulul Young în comparație cu acoperirile PVD convenționale. În timp ce acoperirile convenționale nano-structurate (Ti, Al) N au o duritate de 25 GPa și un modul Young de 460 GPa, duritatea noului strat HIPIMS este mai mare de 30 GPa cu un modul Young de 368 GPa. Raportul dintre duritatea și modulul Young este o măsură a proprietăților de duritate ale stratului de acoperire. Starea dorită este duritatea ridicată, cu un modul Young relativ mic, cum ar fi în cazul acoperirilor HIPIMS. Recent, aplicațiile inovatoare ale suprafețelor acoperite cu HIPIMS pentru aplicații biomedicale au fost raportate de Rtimi și colab.