Магнетронне розпилення потужним імпульсом

Висока потужність імпульсного магнетрона розпилення (HIPIMS або HiPIMS, також відомий як імпульсний магнетронний розпилення високої потужності, HPPMS) є методом фізичного осадження парів тонких плівок, що базується на осадженні магнетронного напилення. HIPIMS використовує надзвичайно високу щільність потужності порядку кВт · см ^-2 у коротких імпульсах (імпульсів) десятків мікросекунд при низькому робочому циклі (співвідношенням часу вмикання / вимикання) <> Відмітними особливостями HIPIMS є високий ступінь іонізації розпиленого металу та висока дисоціація молекулярних газів, що призводить до високої густини осаджених плівок. Збільшення ступеня іонізації та дисоціації відповідно до пикової потужності катода. Межа визначається переходом викиду від свічення до дугової фази. Пікова потужність та робочий цикл вибираються таким чином, щоб підтримувати середню потужність катода, подібну до звичайного розпилення (1-10 Вт · см ^-2 ).

HIPIMS використовується для:

●   попередня обробка субстрату, що підвищує адгезію перед нанесенням покриттів (травлення підкладки)

●   осадження тонких плівок з високою щільністю мікроструктури

HIPIMS плазмова розрядка

Плазма HIPIMS генерується тлієвими розрядами, де густина струму розряду може досягати декількох A ∙ см ^-2 , тоді як напруга розряду підтримується на кілька сот вольт. Розряд однорідно розподіляється по поверхні катода (мішені), однак над певним порогом щільності струму він концентрується в вузьких іонізаційних зонах, які рухаються вздовж траси, відома як цільова ерозійна "іподром".

HIPIMS генерує плазму високої щільності порядку 1013 іонів ∙ см ^-3, що містить високі частки іонів цільового металу. Основним механізмом іонізації є електронний вплив, який збалансований зарядовим обміном, дифузією та викидом плазми в спалахи. Стадії іонізації залежать від густини плазми.

Ступінь іонізації парів металів є сильною функцією пикової щільності струму розряду. При високій щільності струму можуть бути генеровані розпилені іони з зарядом 2+ та вище - до 5+ для V -. Поява цільових іонів із зарядовими станами вище 1+ відповідає за можливий вторинний процес викидів електронів, який має більш високий коефіцієнт викидів, ніж кінетична вторинна емісія, виявлена ​​при звичайних свіченнях. Встановлення потенційної вторинної електронної емісії може посилити струм розряду.

HIPIMS, як правило, працює в режимі короткого імпульсного (імпульсного) режиму з низьким робочим циклом, щоб уникнути перегріву цілі та інших компонентів системи. У кожному імпульсі розряд проходить кілька етапів:

●   електричний пробою

●   газова плазма

●   металева плазма

●   стабільний стан, який може бути досягнутий, якщо металева плазма достатньо щільна, щоб ефективно домінувати над газовою плазмою.

Негативна напруга (напруга зміщення), накладена на субстрат, впливає на енергію та напрямок руху позитивно заряджених частинок, що потрапляють в субстрат. Цикл вимкнення має період у порядку мільярдів. Оскільки робочий цикл невеликий (<10%), то="" результат="" (1-10="" квт)="" тільки="" потужність="" низької="" середньої=""> Цілі можуть охолонути протягом "часу вимкнення", тим самим підтримуючи стабільність процесу.

Розряд, який підтримує HIPIMS, - це струм світлоутворення, який є тимчасовим або квазістаціонарним. Кожен імпульс залишається блиском до критичної тривалості, після чого він переходить до дугового розряду. Якщо тривалість імпульсу зберігається нижче критичного, розряд працює стабільно на невизначений термін.

Початкові спостереження за допомогою швидкого фотографування камери в 2008 році були записані незалежно, продемонстровані з кращою точністю, і підтверджені, демонструючи, що більшість процесів іонізації відбуваються в просторово дуже обмежених зонах іонізації. Швидкість дрейфу була виміряна порядку 104 м / с, що становить лише 10% від швидкості дрейфу електронів.

Підготовка субстрату HIPIMS

Первинна обробка субстрату в плазмовому середовищі вимагається перед нанесенням тонких плівок на механічні компоненти, такі як автомобільні деталі, металорізальні інструменти та декоративні фітинги. Підкладки занурюються в плазму і зміщуються до високої напруги на кілька сот вольт. Це викликає бомбардування високих енергій іонів, що розсіює будь-яке забруднення. У тих випадках, коли плазма містить іони металів, вони можуть бути імплантовані в субстрат на глибину декількох нм. HIPIMS використовується для створення плазми з високою щільністю та високою часткою іонів металів. Дивлячись на інтерфейс плівкового субстрату в поперечному перерізі, можна побачити чистий інтерфейс. Епітаксія або атомна реєстр є типовою між кристалом нітридної плівки та кристалом металевої підкладки, коли HIPIMS використовується для попередньої обробки. HIPIMS була використана для попередньої обробки сталевих підкладок вперше в лютому 2001 р. П. Ехиасаряном.

Зміна підкладки під час попередньої обробки використовує високі напруги, які вимагають спеціально розробленої технології виявлення та придушення дуги. Виділені підшипники підшипника постійного струму забезпечують найбільш універсальний варіант, оскільки вони максимально збільшують частоту травлення підкладки, мінімізують пошкодження підкладки та можуть працювати в системах з декількома катодами. Альтернативою є використання двох джерел живлення HIPIMS, синхронізованих у конфігурації master-slave: один для встановлення розряду, а один - для імпульсного зміщення субстрату.

Відкладення тонких плівок від HIPIMS

Тонкі плівки, нанесені HIPIMS при щільності струму розряду> 0,5 А · см ^-2, мають щільну стовпчикову структуру без порожнин. Вперше В.І. Кузнєцов оприлюднив мідні плівки HIPIMS для нанесення наповнення 1 мкм віаса з співвідношенням сторін 1: 1,2

Періодичні тонкі плівки з нітриду металу (CrN) переносили HIPIMS в лютому 2001 р. П. Ехиасаряном. Перше ретельне дослідження плівок, нанесених HIPIMS TEM, демонструвало густу мікроструктуру, що не містить великомасштабних дефектів. Плівки мають високу твердість, хорошу корозійну стійкість і низький коефіцієнт зносу. Після комерціалізації обладнання HIPIMS ця технологія стала доступною для широкого наукового співтовариства та викликала події в ряді галузей.

Наступні матеріали, зокрема, були успішно передані HIPIMS:

●   Корозійна стійкість: нанорозмірний багатошаровий CrN / NbN

●   Стійкий до окислення: CrAlYN / CrN , нанорозмірний , багатошаровий,   Нанокомпозит Ti-Al-Si-N, Cr-Al-Si-N

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

●   MAX фази: TiSiC

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

●   Тверді покриття: нітрид вуглецю CN _x

●   Гідрофобний: HfO ₂

Переваги

Основними перевагами покриттів HIPIMS є більш щільна морфологія покриття та збільшення співвідношення твердості до модуля Юнга в порівнянні з звичайними PVD покриттями. У той час як порівняння традиційних наноструктурованих (Ti, Al) N покриттів має твердість 25 ГПа та модуль Юнга 460 ГПа, твердість нового покриття HIPIMS перевищує 30 ГПа з модулем Юнга 368 ГПа. Співвідношення між твердості та модулем Юнга є мірою міцності в покритті. Бажаним станом є висока твердість з порівняно невеликим модулем Юнга, такими як, наприклад, у покривах HIPIMS. Нещодавно інноваційні застосування поверхонь з покриттям HIPIMS для біомедичних застосувань були описані Rtimi et al.