Υψηλής ισχύος εκνέφωμα Magnetron Sputtering

Η εκτόξευση μαγνητρονίων παλμών μεγάλης ισχύος (HIPIMS ή HiPIMS, επίσης γνωστή ως υπερβολική παλμική εκτόξευση μαγνητρονίου, HPPMS) είναι μια μέθοδος φυσικής εναπόθεσης ατμών λεπτών μεμβρανών, η οποία βασίζεται σε εναπόθεση μαγνητρονίου με ψεκασμό. Το HIPIMS χρησιμοποιεί εξαιρετικά υψηλές πυκνότητες ισχύος της τάξης των kW ∙ cm ^-2 σε σύντομους παλμούς (παρορμήσεις) δεκάδων μικροδευτερολέπτων σε κύκλους χαμηλής κατανάλωσης (χρόνος ενεργοποίησης / απενεργοποίησης) <> Χαρακτηριστικά γνωρίσματα του HIPIMS είναι ο υψηλός βαθμός ιονισμού του διασκορπισμένου μετάλλου και ο υψηλός βαθμός διαχωρισμού του μοριακού αερίου που οδηγεί σε υψηλή πυκνότητα των εναποτιθέμενων μεμβρανών. Ο βαθμός ιονισμού και αποσύνδεσης αυξάνεται σύμφωνα με την ισχύ κορυφής καθόδου. Το όριο καθορίζεται από τη μετάβαση της εκφόρτισης από τη φάση φωτισμού σε τόξο. Η μέγιστη ισχύς και ο κύκλος λειτουργίας επιλέγονται έτσι ώστε να διατηρείται μια μέση ισχύς καθόδου παρόμοια με την συμβατική επίστρωση (1-10 W · cm ^-2 ).

Το HIPIMS χρησιμοποιείται για:

●   προσκόλληση που ενισχύει την προεπεξεργασία του υποστρώματος πριν την εναπόθεση επικάλυψης (χάραξη υποστρώματος)

●   την εναπόθεση λεπτών φιλμ με υψηλή πυκνότητα μικροδομής

Απόρριψη πλάσματος HIPIMS

Το πλάσμα HIPIMS παράγεται από μια εκκεντρόμενη εκκένωση όπου η πυκνότητα ρεύματος εκκένωσης μπορεί να φτάσει αρκετά A ∙ cm ^-2 , ενώ η τάση εκφόρτισης διατηρείται σε αρκετές εκατοντάδες βολτ. Η εκφόρτιση κατανέμεται ομοιόμορφα στην επιφάνεια της καθόδου (στόχος), ωστόσο, πάνω από ένα συγκεκριμένο κατώτατο όριο πυκνότητας ρεύματος, συγκεντρώνεται σε ζώνες στενού ιονισμού που κινούνται κατά μήκος μιας διαδρομής που είναι γνωστή ως "πίσσα" διάβρωσης στόχων.

Το HIPIMS παράγει ένα πλάσμα υψηλής πυκνότητας της τάξεως των 1013 ιόντων · cm3 που περιέχει υψηλά κλάσματα ιόντων μεταλλικών στόχων. Ο κύριος μηχανισμός ιονισμού είναι η πρόσκρουση ηλεκτρονίων, η οποία εξισορροπείται με την ανταλλαγή φορτίου, τη διάχυση και την εκτόξευση πλάσματος σε φλόγες. Οι ρυθμοί ιοντισμού εξαρτώνται από την πυκνότητα του πλάσματος.

Ο βαθμός ιονισμού των μεταλλικών ατμών είναι μια ισχυρή συνάρτηση της μέγιστης πυκνότητας ρεύματος της εκκένωσης. Σε υψηλές πυκνότητες ρεύματος, μπορούν να δημιουργηθούν ιόντα διασκορπισμένα με φορτίο 2+ και άνω - μέχρι 5+ για V -. Η εμφάνιση ιόντων στόχου με καταστάσεις φορτίου υψηλότερα από 1+ είναι υπεύθυνη για μια πιθανή διαδικασία εκπομπής δευτερογενούς ηλεκτρονίου η οποία έχει υψηλότερο συντελεστή εκπομπής από τη δευτερογενή κινητική εκπομπή που παρατηρείται στις συμβατικές εκκενώσεις φωτός. Η δημιουργία πιθανής εκπομπής δευτερογενούς ηλεκτρονίου μπορεί να ενισχύσει το ρεύμα της εκκένωσης.

Το HIPIMS λειτουργεί συνήθως σε λειτουργία σύντομου παλμού (παλμού) με χαμηλό κύκλο λειτουργίας, προκειμένου να αποφευχθεί η υπερθέρμανση του στόχου και άλλων εξαρτημάτων του συστήματος. Σε κάθε παλμό η εκκένωση περνάει από πολλά στάδια:

●   ηλεκτρική βλάβη

●   πλάσμα αερίου

●   μεταλλικό πλάσμα

●   σταθερή κατάσταση, η οποία μπορεί να επιτευχθεί εάν το μεταλλικό πλάσμα είναι αρκετά πυκνό ώστε να κυριαρχεί αποτελεσματικά πάνω από το πλάσμα αερίου.

Η αρνητική τάση (τάση πόλωσης) που εφαρμόζεται στο υπόστρωμα επηρεάζει την ενέργεια και την κατεύθυνση κίνησης των θετικά φορτισμένων σωματιδίων που έπληξαν το υπόστρωμα. Ο κύκλος on-off έχει μια περίοδο της τάξης των χιλιοστών του δευτερολέπτου. Επειδή ο κύκλος λειτουργίας είναι μικρός (<10%), μόνο="" το="" χαμηλό="" μέσο="" όρο="" της="" καθόδου="" είναι="" το="" αποτέλεσμα="" (1-10=""> Ο στόχος μπορεί να κρυώσει κατά τη διάρκεια του "εκτός χρόνου", διατηρώντας έτσι τη σταθερότητα της διαδικασίας.

Η εκκένωση που διατηρεί το HIPIMS είναι μια υψηλής έντασης εκφόρτιση, η οποία είναι παροδική ή quasi-σταθερή. Κάθε παλμός παραμένει μια λάμψη μέχρι μια κρίσιμη διάρκεια μετά την οποία διέρχεται σε μια εκκένωση τόξου. Αν το μήκος παλμού παραμείνει κάτω από το κρίσιμο, η εκκένωση λειτουργεί με σταθερό τρόπο επ 'αόριστον.

Οι αρχικές παρατηρήσεις με απεικόνιση γρήγορης κάμερας το 2008 καταγράφηκαν ανεξάρτητα, καταδείχθηκαν με μεγαλύτερη ακρίβεια και επιβεβαιώθηκαν αποδεικνύοντας ότι οι περισσότερες διεργασίες ιονισμού εμφανίζονται σε πολύ περιορισμένες ζώνες ζώνες ιοντισμού. Η ταχύτητα μετατόπισης μετρήθηκε ώστε να είναι της τάξης των 104 m / s, η οποία είναι περίπου 10% της ταχύτητας ολίσθησης ηλεκτρονίων.

Προεπεξεργασία υποστρώματος από το HIPIMS

Προεπεξεργασία υποστρώματος σε περιβάλλον πλάσματος απαιτείται πριν την εναπόθεση λεπτών μεμβρανών σε μηχανικά εξαρτήματα όπως εξαρτήματα αυτοκινήτου, εργαλεία κοπής μετάλλων και διακοσμητικά εξαρτήματα. Τα υποστρώματα βυθίζονται σε ένα πλάσμα και υποκινούνται σε υψηλή τάση μερικών εκατοντάδων βολτ. Αυτό προκαλεί υψηλό βομβαρδισμό ιόντων ενέργειας που απομακρύνει κάθε ρύπανση. Στις περιπτώσεις που το πλάσμα περιέχει μεταλλικά ιόντα, μπορούν να εμφυτευθούν στο υπόστρωμα σε βάθος λίγων nm. Το HIPIMS χρησιμοποιείται για τη δημιουργία πλάσματος με υψηλή πυκνότητα και υψηλή αναλογία μεταλλικών ιόντων. Όταν κοιτάζουμε τη διαχωριστική επιφάνεια φιλμ-υποστρώματος σε διατομή, μπορεί κανείς να δει μια καθαρή διεπαφή. Επιταξία ή ατομική εγγραφή είναι τυπική μεταξύ του κρυστάλλου ενός φιλμ νιτριδίου και του κρυστάλλου ενός μεταλλικού υποστρώματος όταν HIPIMS χρησιμοποιείται για προκατεργασία. Το HIPIMS χρησιμοποιήθηκε για την προεπεξεργασία των υποστρωμάτων χάλυβα για πρώτη φορά τον Φεβρουάριο του 2001 από την AP Ehiasarian.

Η πόλωση του υποστρώματος κατά τη διάρκεια της προεπεξεργασίας χρησιμοποιεί υψηλές τάσεις, οι οποίες απαιτούν τεχνική ανίχνευσης τόξου και τεχνολογία καταστολής. Οι αποκλειστικές μονάδες πόλωσης υποστρώματος DC παρέχουν την πιο ευέλικτη επιλογή καθώς μεγιστοποιούν τις ταχύτητες χάραξης υποστρώματος, ελαχιστοποιούν τη ζημιά του υποστρώματος και μπορούν να λειτουργούν σε συστήματα με πολλαπλές κάθοδοι. Μια εναλλακτική λύση είναι η χρήση δύο πηγών τροφοδοσίας HIPIMS συγχρονισμένων σε μια διαμόρφωση κύριου-υποτελούς: μία για να αποκατασταθεί η εκφόρτιση και μία για την παραγωγή μιας παλλόμενης μεροληψίας υποστρώματος.

Απόθεση λεπτού υμενίου από την HIPIMS

Τα λεπτές μεμβράνες που αποτίθενται από το HIPIMS σε πυκνότητα ρεύματος εκφόρτισης> 0,5 A · cm ^-2 έχουν πυκνή στήλη χωρίς δομή. Η εναπόθεση ταινιών χαλκού από HIPIMS αναφέρθηκε για πρώτη φορά από τον V. Kouznetsov για την εφαρμογή γεμίσματος 1 μm vias με λόγο διαστάσεων 1: 1.2

Οι λεπτές μεμβράνες νιτριδίου μετάλλου μετάλλου (CrN) κατατέθηκαν από την HIPIMS για πρώτη φορά τον Φεβρουάριο του 2001 από την AP Ehiasarian. Η πρώτη εμπεριστατωμένη έρευνα των μεμβρανών που κατατέθηκαν από την HIPIMS από την TEM παρουσίασε μια πυκνή μικροδομή, χωρίς ελαττώματα μεγάλης κλίμακας. Τα φιλμ είχαν υψηλή σκληρότητα, καλή αντοχή στη διάβρωση και χαμηλό συντελεστή ολίσθησης. Η εμπορευματοποίηση του υλικού HIPIMS που ακολούθησε καθιστούσε την τεχνολογία προσβάσιμη στην ευρύτερη επιστημονική κοινότητα και προκάλεσε εξελίξεις σε αρκετούς τομείς.

Τα ακόλουθα υλικά έχουν, μεταξύ άλλων, κατατεθεί επιτυχώς από την HIPIMS:

●   Ανθεκτικότητα στη διάβρωση: Πολυεπίπεδη nanoscale CrN / NbN

●   Ανθεκτική στην οξείδωση: CrAlYN / CrN , νανοκλίμακα , πολυστρωματικές,   Ti-Al-Si-N, Cr-Al-Si-N νανοσύνθετο

●   Οπτικό: Ag, Ti02, ΖηΟ, InSnO, Zr02, CuInGaSe

●   MAX φάσεις: TiSiC

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

●   Σκληρά επιχρίσματα: νιτρίδιο του άνθρακα CN _x

●   Υδρόφοβη: HfO2

Πλεονεκτήματα

Τα κύρια πλεονεκτήματα των επικαλύψεων HIPIMS περιλαμβάνουν μια πυκνότερη μορφολογία επικάλυψης και μια αυξημένη αναλογία σκληρότητας ως προς το μέτρο του Young σε σύγκριση με τις συμβατικές επικαλύψεις PVD. Ενώ συγκρίσιμα συμβατικά νανο-δομημένα (Τί, ΑΙ) Ν επιχρίσματα έχουν σκληρότητα 25 GPa και συντελεστή Young του 460 GPa, η σκληρότητα της νέας επικάλυψης HIPIMS είναι υψηλότερη από 30 GPa με συντελεστή Young του 368 GPa. Η αναλογία μεταξύ σκληρότητας και συντελεστή Young είναι ένα μέτρο των ιδιοτήτων σκληρότητας της επικάλυψης. Η επιθυμητή κατάσταση είναι υψηλή σκληρότητα με ένα σχετικά μικρό συντελεστή Young, όπως μπορεί να βρεθεί σε επικαλύψεις HIPIMS. Πρόσφατα, οι καινοτόμες εφαρμογές επικαλυμμένων επιφανειών HIPIMS για βιοϊατρικές εφαρμογές αναφέρθηκαν από τους Rtimi et al.