Daya tinggi Impulse Magnetron Sputtering

Daya dorong tinggi magnetron sputtering (HIPIMS atau HiPIMS, juga dikenali sebagai magnetron sputtering berkuasa tinggi, HPPMS) adalah kaedah untuk pemendapan wap fizikal filem-filem nipis yang berasaskan pemendapan magnetron sputter. HIPIMS menggunakan ketumpatan kuasa yang sangat tinggi dengan susunan kW ∙ cm ^-2 dalam denyutan pendek (impuls) puluhan mikrosecond pada kitaran tugas rendah (nisbah masa / off) <> Ciri-ciri yang membezakan HIPIMS adalah tahap pengionan ion logam yang tinggi dan kadar pemisahan gas molekul yang tinggi yang menyebabkan ketumpatan tinggi filem yang disimpan. Pengionan dan tahap pemisahan meningkat mengikut kuasa puncak katod. Had ditentukan oleh peralihan pelepasan dari cahaya ke fasa arka. Kuasa puncak dan kitaran tugas dipilih untuk mengekalkan kuasa katod rata-rata sama dengan sputtering konvensional (1-10 W ∙ cm ^-2 ).

HIPIMS digunakan untuk:

●   lekatan meningkatkan pretreatment substrat sebelum pemendapan salutan (substrat etching)

●   pemendapan filem tipis dengan kepadatan mikrostruktur yang tinggi

Pelepasan plasma HIPIMS

Plasma HIPIMS dihasilkan oleh pelepasan cahaya di mana ketumpatan arus pelepasan boleh mencapai beberapa A ⋅ cm ^-2 , manakala voltan pelepasan dikekalkan pada beberapa ratus volt. Pelepasan ini disebar secara seragam ke seluruh permukaan katod (target) namun di atas ambang batas tertentu ketumpatan arus ini menjadi tertumpu di zon pengionan sempit yang bergerak di sepanjang jalan yang dikenal sebagai hakisan sasaran "lumba".

HIPIMS menghasilkan plasma kepadatan tinggi susunan 1013 ion ∙ cm ^{-3 yang} mengandungi pecahan tinggi ion logam sasaran. Mekanisme ionisasi utama adalah dampak elektron, yang diimbangi oleh pertukaran biaya, penyebaran, dan lonjakan plasma dalam flare. Kadar ionisasi bergantung kepada ketumpatan plasma.

Ijazah ionisasi wap logam adalah fungsi kuat kepadatan arus puncak pelepasan. Pada kepadatan semasa yang tinggi, ion berlegar dengan caj 2+ dan lebih tinggi - sehingga 5+ untuk V - boleh dihasilkan. Penampilan ion sasaran dengan caj menyatakan lebih tinggi daripada 1+ bertanggungjawab untuk potensi pelepasan elektron menengah yang mempunyai pekali pelepasan yang lebih tinggi daripada pelepasan sekunder kinetik yang terdapat dalam pelepasan cahaya konvensional. Penubuhan pelepasan elektron sekunder berpotensi boleh meningkatkan arus pelepasan.

HIPIMS biasanya dikendalikan dalam mod denyutan (dorongan) pendek dengan kitaran tugas yang rendah untuk mengelakkan terlalu panas sasaran dan komponen sistem lain. Dalam setiap denyutan pelepasan berlaku beberapa peringkat:

●   kerosakan elektrik

●   plasma gas

●   plasma logam

●   keadaan mantap, yang boleh dicapai jika plasma logam cukup padat untuk menguasai secara berkesan ke atas plasma gas.

Voltan negatif (voltan bias) yang digunakan untuk substrat mempengaruhi tenaga dan arah pergerakan zarah bercas positif yang memukul substrat. Kitaran on-off mempunyai tempoh pada urutan milisaat. Kerana kitaran tugas adalah kecil (<10%), hanya="" kuasa="" katod="" purata="" yang="" rendah="" adalah="" hasil="" (1-10=""> Sasaran itu boleh menyejukkan semasa "waktu off", dengan itu mengekalkan kestabilan proses.

Pelepasan yang mengekalkan HIPIMS adalah pelepasan cahaya tinggi semasa, yang bersifat sementara atau quasistationary. Setiap nadi kekal bersinar hingga ke masa kritikal selepas ia ditransmisikan ke pelepasan arka. Jika panjang nadi disimpan di bawah kritikal, pelepasan ini beroperasi dengan cara yang stabil selama-lamanya.

Pemerhatian awal oleh pencitraan kamera pantas pada tahun 2008 telah direkodkan secara bebas, ditunjukkan dengan ketepatan yang lebih baik, dan mengesahkan bahawa kebanyakan proses pengionan berlaku dalam zon pengionan yang sangat terhad. Halaju drift diukur dari urutan 104 m / s, iaitu kira-kira hanya 10% daripada halaju drift elektron.

Prapreatment substrat oleh HIPIMS

Prapreatment substrat dalam persekitaran plasma diperlukan sebelum pemendapan filem nipis pada komponen mekanikal seperti bahagian automotif, alat pemotong logam dan kelengkapan hiasan. Substruktur dibenamkan dalam plasma dan berat sebelah kepada voltan tinggi beberapa ratus volt. Ini menyebabkan pengeboman ion tenaga tinggi yang menjejaskan sebarang pencemaran. Dalam kes-kes apabila plasma mengandungi ion logam, ia boleh ditanamkan ke dalam substrat kepada kedalaman beberapa nm. HIPIMS digunakan untuk menjana plasma dengan ketumpatan tinggi dan kadar ion logam yang tinggi. Apabila melihat antaramuka filem-substrat di bahagian silang, seseorang dapat melihat antara muka yang bersih. Epitaxy atau registri atom adalah tipikal antara kristal filem nitrida dan kristal substrat logam apabila HIPIMS digunakan untuk pretreatment. HIPIMS telah digunakan untuk pretreatment substrat keluli buat kali pertama pada bulan Februari 2001 oleh AP Ehiasarian.

Biasing substrat semasa pretreatment menggunakan voltan tinggi, yang memerlukan teknologi pengesanan arka dan penindasan yang direka khas. Unit biasing substrat DC berdedikasi memberikan pilihan yang paling serba boleh memaksimumkan kadar etsa substrat, meminimumkan kerosakan substrat, dan boleh beroperasi dalam sistem dengan pelbagai katod. Satu alternatif ialah penggunaan dua bekalan kuasa HIPIMS yang disegerakkan dalam konfigurasi master-hamba: satu untuk menunaikan pelepasan dan satu untuk menghasilkan kecenderungan substrat berdenyut.

Pemendapan filem tipis oleh HIPIMS

Filem nipis yang didepositkan oleh HIPIMS semasa menunaikan ketumpatan arus> 0.5 A · cm- ² mempunyai struktur kolumnar padat tanpa lompang. Pemendapan filem tembaga oleh HIPIMS dilaporkan buat kali pertama oleh V. Kouznetsov untuk penerapan pengisian 1 μm vias dengan nisbah aspek 1: 1.2

Filem peralihan metal nitride (CRN) telah disetorkan oleh HIPIMS buat kali pertama pada bulan Februari 2001 oleh AP Ehiasarian. Penyiasatan menyeluruh pertama filem yang disimpan oleh HIPIMS oleh TEMdemonstrated microstructure padat, bebas dari kecacatan skala besar. Filem ini mempunyai kekerasan tinggi, rintangan kakisan yang baik dan pekali pakai gelongsor rendah. Pengkomersialan perkakasan HIPIMS yang diikuti membuat teknologi dapat diakses oleh komuniti saintifik yang lebih luas dan mencetuskan perkembangan dalam beberapa bidang.

Bahan-bahan berikut, antara lain, telah berjaya disimpan dengan HIPIMS:

●   Tahan kakisan: CrN / NbN multilayer nanoscale

●   Tahan Pengoksidaan: CrAlYN / CrN , nanoscale , multilayer,   Ti-Al-Si-N, Cr-Al-Si-N nanocomposite

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

●   MAX fasa: TiSiC

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

●   Coatings keras: nitrida karbon CN _x

●   Hydrophobic: HfO ₂

Kelebihan

Kelebihan utama lapisan HIPIMS termasuk morfologi lapisan padat dan nisbah kekerasan meningkat kepada modulus Young dibandingkan dengan lapisan PVD konvensional. Manakala lapisan-lapisan berstruktur nano konvensional (Ti, Al) N yang setanding mempunyai kekerasan 25 GPa dan modulus Young 460 GPa, kekerasan salutan HIPIMS baru adalah lebih tinggi daripada 30 GPa dengan modulus Young 368 GPa. Nisbah antara kekerasan dan modulus Young adalah ukuran sifat-sifat ketahanan salutan. Keadaan yang diingini adalah kekerasan yang tinggi dengan modulus Young yang agak kecil, seperti yang boleh didapati di lapisan HIPIMS. Baru-baru ini, aplikasi inovatif permukaan bersalut HIPIMS untuk aplikasi bioperubatan dilaporkan oleh Rtimi et al.