Високоенергиен импулсен магнетронов разпрашване

Високомощното импулсно магнетроново разпрашване (HIPIMS или HiPIMS, известен също като високоенергийно импулсно магнетроново разпръскване, HPPMS) е метод за физично отлагане на пари от тънки филми, който се основава на отлагания с магнетронно разпрашаване. HIPIMS използва изключително високи плътности на мощността от порядъка на kW ∙ cm ^-2 при къси импулси (импулси) от десетки микросекунди при коефициент на нисък коефициент на включване / изключване <> Отличителни черти на HIPIMS са висока степен на йонизация на разпръсквания метал и висока степен на дисоциация на молекулен газ, което води до висока плътност на отложените филми. Степента на йонизация и дисоциация се увеличава според мощността на пиковия катод. Границата се определя от прехода на изпускането от светенето към дъговата фаза. Пиковата мощност и работен цикъл се избират така, че да поддържат средна катодна мощност, подобна на конвенционалното разпрашаване (1-10 W ∙ cm ^-2 ).

HIPIMS се използва за:

●   подсилване на адхезията преди предварителна обработка на субстрата преди нанасяне на покритието (офорт на субстрата)

●   отлагане на тънки филми с висока плътност на микроструктурата

Плазмено заустване от HIPIMS

Плазма HIPIMS се генерира от силно излъчване, където плътността на разрядния ток може да достигне няколко A ∙ cm ^-2 , докато изходното напрежение се поддържа на няколко стотин волта. Изхвърлянето е хомогенно разпределено по повърхността на катода (целта), но над определен праг на тока на тока се концентрира в тесни йонизационни зони, които се движат по пътя, известен като "езда".

HIPIMS генерира плазма с висока плътност от порядъка на 1013 йони ∙ cm ^-3, съдържащ високи фракции от целеви метални йони. Основният йонизационен механизъм е въздействието на електрони, което е балансирано чрез обмен на заряд, дифузия и плазмено изхвърляне в ракети. Степента на йонизация зависи от плътността на плазмата.

Степента на йонизация на металните пари е силна функция на пиковата плътност на тока на изпускателната тръба. При високи плътности на тока могат да се генерират разпрашени йони с заряд 2+ и по-високи - до 5+ за V -. Появата на целеви йони със състояния на заряд, по-високи от 1+, е отговорна за потенциален процес на излъчване на вторични електрони, който има по-висок коефициент на емисия, отколкото кинетичната вторична емисия, установена при конвенционалните излъчвания на светене. Установяването на потенциални емисии на вторични електрони може да увеличи тока на изхвърлянето.

HIPIMS обикновено работи в режим с кратък импулс (импулс) с нисък работен цикъл, за да се избегне прегряването на целта и други компоненти на системата. Във всеки импулс изпускането преминава през няколко етапа:

●   електрическа повреда

●   газова плазма

●   метална плазма

●   равновесно състояние, което може да бъде постигнато, ако металната плазма е достатъчно плътна, за да доминира над плазмата на газа.

Отрицателното напрежение (пристрастие напрежение), приложено към субстрата, влияе върху енергията и посоката на движение на положително заредените частици, които удрят субстрата. Периодът на включване / изключване има период от милисекунди. Тъй като работният цикъл е малък (<10%), само="" ниската="" средна="" катодна="" мощност="" е="" резултат="" (1-10=""> Целта може да се охлади по време на "изключено време", като по този начин се запази стабилността на процеса.

Изпускането, което поддържа HIPIMS, е силно токов слънчев поток, който е преходен или квазистационарен. Всеки импулс остава светещ до критична продължителност, след което преминава към дъгообразно разреждане. Ако продължителността на импулса се поддържа под критичната стойност, изпускането работи за неопределен период от време.

Първоначалните наблюдения с бързодействие на камерата през 2008 г. бяха записани независимо, демонстрирани с по-голяма прецизност и потвърдиха, че повечето процеси на йонизация се появяват в пространствено много ограничени йонизационни зони. Скоростта на преместване се измерва, че е от порядъка на 104 m / s, което е само около 10% от скоростта на електронен удар.

Предварително третиране на субстрат от HIPIMS

Предварителното третиране на субстрата в плазмена среда е необходимо преди отлагане на тънки филми върху механични компоненти като автомобилни части, метални режещи инструменти и декоративни фитинги. Субстратите се потапят в плазма и се притискат към високо напрежение от няколко стотин волта. Това причинява бомбардиране на йони с високо енергийно действие, което отстранява всяко замърсяване. В случаите, когато плазмата съдържа метални йони, те могат да бъдат имплантирани в субстрата на дълбочина от няколко nm. HIPIMS се използва за генериране на плазма с висока плътност и голяма част от металните йони. Когато гледате интерфейса филм-субстрат в напречно сечение, може да видите чист интерфейс. Епитаксията или регистрацията на атоми е типична между кристала на нитридния филм и кристала на метален субстрат, когато HIPIMS се използва за предварителна обработка. HIPIMS се използва за предварителна обработка на стоманени субстрати за първи път през февруари 2001 г. от AP Ehiasarian.

Напрежението на субстрата по време на предварителната обработка използва високи напрежения, които изискват специално разработена технология за откриване и подтискане на дъгата. Специализираните модули за подсилване на DC субстрат осигуряват най-гъвкавата опция, тъй като увеличават скоростите на ецване на субстрата, свеждат до минимум повреда на субстрата и могат да работят в системи с множество катоди. Друга алтернатива е използването на две HIPIMS захранващи устройства, синхронизирани в конфигурация master-slave: една за установяване на разреждането и един за получаване на импулсна субстрата.

Тънкослойно отлагане от HIPIMS

Тънките филми, депозирани от HIPIMS при изходяща токова плътност> 0.5A · cm2, имат плътна колонна структура без кухини. Отделянето на медни филми от HIPIMS се съобщава за първи път от В. Кузнецов за приложението на пълнеж от 1 μm виас с съотношение 1: 1.2

Тънки филми от нитрид с преходен метал (CrN) бяха депозирани от HIPIMS за първи път през февруари 2001 г. от AP Ehiasarian. Първото задълбочено изследване на филмите, депозирани от HIPIMS от TEM демонстрира плътна микроструктура без големи дефекти. Филмите имат висока твърдост, добра корозионна устойчивост и нисък коефициент на износване при плъзгане. Комерсиализацията на хардуера на HIPIMS, който последва, направи технологията достъпна за широката научна общност и предизвика развития в редица области.

Следните материали, наред с други, бяха депозирани успешно от HIPIMS:

●   Устойчив на корозия: CrN / NbN наномащабен многослоен

●   Оксидационен устойчив: CrAlYN / CrN , наномащаба , многослойна,   Ti-Al-Si-N, Cr-Al-Si-N нанокомпозит

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

●   MAX фази: TiSiC

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

●   Твърди покрития: въглероден нитрид CN _x

●   Хидрофобен: HfO ₂

Предимства

Основните предимства на покритията на HIPIMS включват по-плътна морфология на покритието и повишено съотношение на твърдост спрямо модула на Young в сравнение с конвенционалните PVD покрития. Докато сравнимите конвенционални нано структурирани (Ti, Al) N покрития имат твърдост 25 GPa и модул на Young от 460 GPa, твърдостта на новото HIPIMS покритие е по-висока от 30 GPa с модул на Young от 368 GPa. Съотношението между твърдостта и модула на Young е мярка за твърдостта на покритието. Желаното условие е висока твърдост с относително малък модул на Young, който може да се намери в покритията на HIPIMS. Напоследък иновативните приложения на покрити с HIPIMS повърхности за биомедицински приложения са докладвани от Rtimi et al.