Impuls magnetron forstøvning med høy effekt - High-power impulse magnetron sputtering

Høy strøm impuls sputtering (HIPIMS eller HiPIMS, også kjent som høy strøm pulset magnetron sputtering , HPPMS) er en fremgangsmåte for fysikalsk dampavsetning av tynne filmer som er basert på magne frese avsetning . HIPIMS benytter ekstremt høye effekttettheter i størrelsesorden kW⋅cm −2 i korte pulser (impulser) på titalls mikrosekunder ved lav driftssyklus (av / på-tidsforhold ) på <10%. Særtrekk ved HIPIMS er en høy grad av ionisering av det forstøvede metallet og en høy grad av molekylær gassdissosiasjon som resulterer i høy tetthet av avsatte filmer. Ioniserings- og dissosieringsgraden øker i henhold til toppkatodekraften. Grensen bestemmes av overgangen fra utslipp fra glød til lysbue. Toppeffekten og driftssyklusen er valgt for å opprettholde en gjennomsnittlig katodeeffekt som ligner på konvensjonell sputtering (1–10 W⋅cm −2 ).

HIPIMS brukes til:

  • vedheftingsforbedrende forbehandling av underlaget før beleggavsetning (substratetsing)
  • avsetning av tynne filmer med høy mikrostrukturtetthet

HIPIMS plasmautslipp

HIPIMS plasmaet genereres ved en glødeutladning hvor utladningsstrømtetthet kan nå flere A⋅cm -2 , mens utladningsspenningen holdes på flere hundre volt. Utslippet fordeles homogent over overflaten av katoden (målet), men over en viss terskel for strømtetthet blir den konsentrert i smale ioniseringssoner som beveger seg langs en bane kjent som målerosjonen "racerbane".

HIPIMS genererer en høy tetthet plasma av størrelsesorden 10 13 ions⋅cm -3 inneholder høye fraksjoner av mål-metallioner. Den viktigste ioniseringsmekanismen er elektronpåvirkning, som balanseres av ladningsutveksling, diffusjon og plasmautkast i bluss. Ioniseringshastighetene avhenger av plasmadensiteten.
Ioniseringsgraden til metaldampen er en sterk funksjon av utstrømningens toppstrømtetthet. Ved høy strømtetthet kan forstøvede ioner med ladning 2+ og høyere - opp til 5+ for V - genereres. Utseendet til målioner med ladetilstander høyere enn 1+ er ansvarlig for en potensiell sekundær elektronutslippsprosess som har en høyere utslippskoeffisient enn den kinetiske sekundære utslipp som finnes i konvensjonelle glødutslipp. Etableringen av et potensielt sekundært elektronutslipp kan forbedre strømmen til utladningen.
HIPIMS drives vanligvis i kortpuls (impuls) modus med en lav syklus for å unngå overoppheting av målet og andre systemkomponenter. I hver puls går utslippet gjennom flere trinn:

  • elektrisk sammenbrudd
  • gassplasma
  • metallplasma
  • stabil tilstand, som kan oppnås hvis metallplasmaet er tett nok til effektivt å dominere over gassplasmaet.

Den negative spenningen (forspenning) som påføres underlaget, påvirker energien og bevegelsesretningen til de positivt ladede partiklene som treffer underlaget. Av-på-syklusen har en periode på i størrelsesorden millisekunder. Fordi driftssyklusen er liten (<10%), er bare lav gjennomsnittlig katodeeffekt resultatet (1–10 kW). Målet kan kjøle seg ned i "av-tiden" og derved opprettholde prosessstabilitet.

Utslippet som opprettholder HIPIMS er en høystrøms glødutladning, som er forbigående eller kvasistasjonær . Hver puls forblir en glød opp til en kritisk varighet, hvoretter den overføres til en bueutladning . Hvis pulslengden holdes under den kritiske varigheten, fungerer utslippet på en stabil måte på ubestemt tid.

Innledende observasjoner av rask kamerabehandling i 2008 ble registrert uavhengig, demonstrert med bedre presisjon og bekreftet med at de fleste ioniseringsprosesser forekommer i romlig svært begrensede ioniseringssoner. Den drivhastigheten ble målt til å være av størrelsesorden 10 4 m / s, som er omtrent bare 10% av den elektron drivhastigheten.

Forbehandling av underlaget av HIPIMS

Forbehandling av underlaget i et plasmamiljø er nødvendig før avsetning av tynne filmer på mekaniske komponenter som bildeler, skjæreverktøy og dekorative beslag. Substratene er nedsenket i et plasma og forspent til en høyspenning på noen hundre volt. Dette forårsaker ionebombardement med høy energi som spruter bort all forurensning. I tilfeller når plasma inneholder metallioner, kan de implanteres i substratet til en dybde på noen få nm. HIPIMS brukes til å generere et plasma med høy tetthet og høy andel metallioner. Når man ser på film-substratgrensesnittet i tverrsnitt, kan man se et rent grensesnitt. Epitaxy eller atomregister er typisk mellom krystall av en nitridfilm og krystall av et metallsubstrat når HIPIMS brukes til forbehandling. HIPIMS har blitt brukt til forbehandling av stålunderlag for første gang i februar 2001 av AP Ehiasarian.

Substratforspenning under forbehandling bruker høye spenninger, som krever spesialdesignet lysbueoppdagelse og undertrykkelse. Dedikerte DC-substratforstyrrende enheter gir det mest allsidige alternativet, da de maksimerer substratetsningshastigheter, minimerer substratskader og kan fungere i systemer med flere katoder. Et alternativ er bruken av to HIPIMS-strømforsyninger synkronisert i en master-slave-konfigurasjon: en for å etablere utslipp og en for å produsere en pulserende substratforstyrrelse

Tynnfilmavsetning av HIPIMS

Figuren viser overflatetopografien og strukturen til HiPIMS FerroCon verktøybelegg av CemeCon AG på et karbidsubstrat, forstørret under et elektronmikroskop.

Tynne filmer avsatt av HIPIMS ved utladningsstrømtetthet> 0,5 A⋅cm -2 har en tett søylestruktur uten hulrom.
Avsetningen av kobberfilmer fra HIPIMS ble rapportert for første gang av V. Kouznetsov for påføring av fylling av 1 µm vias med et sideforhold på 1: 1,2

Overgangsmetall nitride (CRN) tynne filmer ble avsatt ved HIPIMS for første gang i februar 2001 av AP Ehiasarian. Den første grundige undersøkelsen av filmer som ble deponert av HIPIMS av TEM demonstrerte en tett mikrostruktur, uten feil i stor skala. Filmene hadde høy hardhet , god korrosjonsbestandighet og lav glidende slitasje koeffisient. Kommersialiseringen av HIPIMS-maskinvaren som fulgte gjorde teknologien tilgjengelig for det bredere vitenskapelige samfunnet og utløste utviklingen på en rekke områder.

Reaktive HiPIMS

I likhet med hva som er sett i konvensjonell reaktiv frese avsetningsprosessen har HiPIMS også blitt brukt for å oppnå oksid eller nitrid-baserte filmer på flere substrater, som det ses i listen nedenfor. Imidlertid, da det er karakteristisk for disse metodene, har ytelsen til slike avsetninger betydelig hysterese og må undersøkes nøye for å inspisere de optimale operasjonspunktene. Betydelige oversikter over reaktive HiPIMS ble publisert av A. Anders og Kubart et al.

Avsetningseksempler

Følgende materialer er blant annet blitt deponert med hell av HIPIMS:

Industriell applikasjon

HIPIMS er vellykket brukt for avsetning av tynne filmer i industrien, spesielt på skjæreverktøy. De første HIPIMS-belegningsenhetene dukket opp på markedet i 2006.

Gullversjonen av Apple iPhone 12 Pro bruker denne prosessen på det strukturelle rustfrie stålbåndet som også fungerer som enhetens antennesystem.

Fordeler

De viktigste fordelene med HIPIMS-belegg inkluderer en tettere beleggsmorfologi og et økt hardhetsforhold til Youngs modul sammenlignet med konvensjonelle PVD-belegg. Mens sammenlignbare konvensjonelle nanostrukturerte (Ti, Al) N- belegg har en hardhet på 25 GPa og en Youngs modul på 460 GPa, er hardheten til det nye HIPIMS-belegget høyere enn 30 GPa med en Youngs modul på 368 GPa. Forholdet mellom hardhet og Youngs modul er et mål på seiersegenskapene til belegget. Den ønskelige tilstanden er høy hardhet med en relativt liten Young-modul, slik som man kan finne i HIPIMS-belegg. Nylig ble innovative applikasjoner av HIPIMS-belagte overflater for biomedisinske applikasjoner rapportert av Rtimi et al.

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker