Мощное импульсное магнетронное распыление

Мощное импульсное магнетронное распыление (HIPIMS или HiPIMS, также известное как мощное импульсное магнетронное распыление, HPPMS) является методом физического осаждения из паровой фазы тонких пленок, который основан на напылении магнетронного распыления. HIPIMS использует чрезвычайно высокие плотности мощности порядка кВт ∙ см ^-2 при коротких импульсах (импульсах) в десятки микросекунд при низком рабочем цикле (время включения / выключения) <> Отличительными особенностями HIPIMS являются высокая степень ионизации напыленного металла и высокая скорость диссоциации молекулярного газа, что приводит к высокой плотности осажденных пленок. Степень ионизации и диссоциации возрастает в зависимости от пиковой мощности катода. Предел определяется переходом разряда из свечения в дугу. Пиковая мощность и рабочий цикл выбираются таким образом, чтобы поддерживать среднюю мощность катода, аналогичную обычному распылению (1-10 Вт · см ^-2 ).

HIPIMS используется для:

●   адгезия, улучшающая предварительную обработку субстрата перед нанесением покрытия (травление подложки)

●   осаждение тонких пленок с высокой плотностью микроструктуры

Плазменный разряд HIPIMS

Плазма HIPIMS генерируется тлеющим разрядом, где плотность тока разряда может достигать нескольких А ∙ см ^-2 , в то время как напряжение разряда поддерживается на несколько сотен вольт. Разряд однородно распределяется по поверхности катода (мишени), однако выше определенного порога плотности тока он концентрируется в узких зонах ионизации, которые движутся по пути, известному как «ипподром» эрозии цели.

HIPIMS генерирует плазму с высокой плотностью порядка 1013 ионов ∙ см ^-3, содержащих высокие доли ионов целевого металла. Основным механизмом ионизации является электронное воздействие, которое уравновешивается перезарядкой, диффузией и выбросом плазмы во вспышки. Скорости ионизации зависят от плотности плазмы.

Степень ионизации паров металла является сильной функцией пиковой плотности тока разряда. При высоких плотностях тока могут генерироваться распыленные ионы с зарядом 2+ и выше - до 5+ для V -. Появление ионов-мишеней с зарядовыми состояниями выше 1+ отвечает за потенциальный процесс вторичной эмиссии электронов, который имеет более высокий коэффициент излучения, чем кинетическая вторичная эмиссия, обнаруженная в обычных тлеющих разрядах. Установление потенциальной вторичной электронной эмиссии может усилить ток разряда.

HIPIMS обычно работает в коротком импульсном (импульсном) режиме с низким рабочим циклом, чтобы избежать перегрева целевого и других компонентов системы. В каждом импульсе разряд проходит через несколько этапов:

●   электрический пробой

●   газовая плазма

●   металлическая плазма

●   которое может быть достигнуто, если металлическая плазма достаточно плотная, чтобы эффективно доминировать над газовой плазмой.

Отрицательное напряжение (напряжение смещения), приложенное к подложке, влияет на энергию и направление движения положительно заряженных частиц, попадающих на подложку. Цикл включения-выключения имеет период порядка миллисекунд. Поскольку рабочий цикл мал (<10%), результатом="" является="" только="" низкая="" средняя="" мощность="" катода="" (1-10=""> Мишень может остыть во время «выключения», тем самым поддерживая стабильность процесса.

Разряд, поддерживающий HIPIMS, представляет собой сильноточный тлеющий разряд, который является переходным или квазистационарным. Каждый импульс остается свечением до критической продолжительности, после чего он переходит в дуговой разряд. Если длительность импульса поддерживается ниже критической, разряд работает стабильно на неопределенный срок.

Первоначальные наблюдения путем быстрой визуализации камеры в 2008 году регистрировались независимо, демонстрировались с большей точностью и подтвердили, что большинство процессов ионизации происходит в пространственно ограниченных зонах ионизации. Скорость дрейфа измерялась порядка 104 м / с, что составляет около 10% от скорости дрейфа электронов.

Предварительная обработка субстрата HIPIMS

Предварительная обработка субстрата в плазменной среде требуется до нанесения тонких пленок на механические компоненты, такие как автомобильные детали, металлорежущие инструменты и декоративные фитинги. Подложки погружены в плазму и смещены до высокого напряжения в несколько сотен вольт. Это вызывает высокоинтенсивную ионную бомбардировку, которая распыляет загрязнение. В тех случаях, когда в плазме содержатся ионы металлов, они могут быть имплантированы в субстрат на глубину до нескольких нм. HIPIMS используется для создания плазмы с высокой плотностью и высокой долей ионов металлов. При просмотре интерфейса пленки-подложки в поперечном сечении можно видеть чистый интерфейс. Эпитаксия или атомный реестр типичны для кристалла нитридной пленки и кристалла металлической подложки, когда HIPIMS используется для предварительной обработки. HIPIMS впервые использовалась для предварительной обработки стальных подложек в феврале 2001 года А. П. Эхиазарианом.

При смещении подложки во время предварительной обработки используются высокие напряжения, которые требуют специально разработанной технологии обнаружения и подавления дуги. Выделенные модули смещения постоянного тока обеспечивают самый универсальный вариант, поскольку они максимизируют скорость травления подложки, минимизируют повреждение субстрата и могут работать в системах с несколькими катодами. Альтернативой является использование двух источников питания HIPIMS, синхронизированных в конфигурации ведущий-ведомый: один для установления разряда и один для создания смещения импульсной подложки.

Тонкопленочное осаждение HIPIMS

Тонкие пленки, осажденные HIPIMS при плотности тока разряда> 0,5 А · см ^-2, имеют плотную столбчатую структуру без пустот. Осаждение медных пленок HIPIMS впервые было сообщено В. Кузнецовым для применения заполняющих отверстий 1 мкм с соотношением сторон 1: 1,2

Тонкие пленки нитрида переходного металла (CrN) были впервые нанесены HIPIMS в феврале 2001 года А. П. Эхиазарианом. Первое тщательное исследование пленок, нанесенных HIPIMS методом TEM, продемонстрировало плотную микроструктуру, свободную от крупномасштабных дефектов. Пленки имели высокую твердость, хорошую коррозионную стойкость и низкий коэффициент износа при скольжении. Коммерциализация оборудования HIPIMS, которое последовала за этим, сделала технологию доступной для более широкого научного сообщества и вызвала события в ряде областей.

Следующие материалы, среди прочего, были успешно депонированы HIPIMS:

●   Устойчивость к коррозии: наноразмерный многослойный слой CrN / NbN

●   Окислительный резистентный: CrAlYN / CrN , наноразмерный , многослойный,   Ti-Al-Si-N, Cr-Al-Si-N нанокомпозит

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

●   MAX фазы: TiSiC

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

●   Твердые покрытия: нитрид углерода CN _x

●   Гидрофобный: HfO ₂

преимущества

Основные преимущества покрытий HIPIMS включают более плотную морфологию покрытия и повышенное отношение твердости к модулю Юнга по сравнению с обычными покрытиями PVD. В то время как сопоставимые традиционные наноструктурированные (Ti, Al) N покрытия имеют твердость 25 ГПа и модуль Юнга 460 ГПа, твердость нового покрытия HIPIMS выше 30 ГПа с модулем Юнга 368 ГПа. Соотношение между твердостью и модулем Юнга является мерой свойств вязкости покрытия. Желательным условием является высокая твердость с относительно небольшим модулем Юнга, который может быть найден в покрытиях HIPIMS. Недавно инновационные применения покрытых HIPIMS поверхностей для биомедицинских применений были отмечены Rtimi et al.