WikiDer > Мощное импульсное магнетронное напыление

High-power impulse magnetron sputtering

Мощное импульсное магнетронное напыление (HIPIMS или HiPIMS, также известный как мощное импульсное магнетронное напыление, HPPMS) - метод физическое осаждение из паровой фазы из тонкие пленки который основан на магнетроне напыление. HIPIMS использует чрезвычайно высокую удельную мощность порядка кВт⋅см.−2 короткими импульсами (импульсами) в десятки микросекунд при малой рабочий цикл (соотношение времени включения / выключения) <10%. Отличительными особенностями HIPIMS являются высокая степень ионизации распыляемого металла и высокая скорость диссоциации молекулярного газа, что приводит к высокой плотности осаждаемых пленок. Степень ионизации и диссоциации увеличивается в соответствии с пиковой мощностью катода. Предел определяется переходом разряда из тлеющей в дуговую фазу. Пиковая мощность и рабочий цикл выбираются таким образом, чтобы поддерживать среднюю катодную мощность, аналогичную обычному распылению (1–10 Вт⋅см−2).

HIPIMS используется для:

  • предварительная обработка основы для повышения адгезии перед нанесением покрытия (травление основы)
  • нанесение тонких пленок с высокой плотностью микроструктуры

Обширный и значительный обзор многих аспектов HiPIMS был представлен несколькими авторами.[1]

Плазменный разряд HIPIMS

Плазма HIPIMS генерируется тлеющий разряд где плотность тока разряда может достигать нескольких А⋅см−2, при этом напряжение разряда поддерживается на уровне нескольких сотен вольт.[2] Разряд равномерно распределяется по поверхности катода (мишени), однако выше определенного порога плотности тока он концентрируется в узких ионизационных зонах, которые движутся по траектории, известной как «беговая дорожка» эрозии мишени.[3]

HIPIMS создает высокую плотность плазма порядка 1013 ионы⋅см−3[2] с высоким содержанием целевых ионов металлов. Основной механизм ионизации - это электронный удар, который уравновешивается перезарядкой, диффузией и выбросом плазмы во вспышках. Скорость ионизации зависит от плотности плазмы.
Степень ионизации металлического пара сильно зависит от максимальной плотности тока разряда. При высоких плотностях тока могут образовываться распыленные ионы с зарядом 2+ и выше - до 5+ для V. Появление целевых ионов с зарядовыми состояниями выше 1+ отвечает за потенциальный процесс вторичной электронной эмиссии, который имеет более высокий коэффициент эмиссии, чем кинетический вторичная эмиссия встречается в обычных тлеющих разрядах. Установление потенциальной вторичной электронной эмиссии может увеличить ток разряда.
HIPIMS обычно работает в короткоимпульсном (импульсном) режиме с низким рабочий цикл во избежание перегрева мишени и других компонентов системы. В каждом импульсе разряд проходит несколько стадий:[2]

  • электрический пробой
  • газовая плазма
  • металлическая плазма
  • стационарное состояние, 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, которые ударяются о подложку. Цикл включения-выключения имеет период порядка миллисекунд. Поскольку рабочий цикл невелик (<10%), в результате получается только низкая средняя катодная мощность (1–10 кВт). Мишень может остывать во время «выключения», тем самым поддерживая стабильность процесса.[4]

Разряд, поддерживающий HIPIMS, представляет собой сильноточный тлеющий разряд, который преходящий или квазистационарный. Каждый импульс остается свечением до критической длительности, после чего переходит в дуговая разрядка. Если длительность импульса меньше критической, разряд будет работать стабильно бесконечно.

Первоначальные наблюдения с помощью быстрой камеры[3] в 2008 г. регистрировались самостоятельно,[5] продемонстрировано с большей точностью,[6] и подтвердил[7] демонстрируя, что большинство ионизационных процессов происходит в пространственно очень ограниченных зонах ионизации. Измеренная скорость дрейфа составила порядка 104 РС,[6] что составляет лишь 10% дрейфовой скорости электронов.

Предварительная обработка субстрата HIPIMS

Перед нанесением тонких пленок на механические компоненты, такие как автомобильные детали, металлорежущие инструменты и декоративные элементы, требуется предварительная обработка подложки в плазменной среде. Подложки погружаются в плазму и смещаются до высокого напряжения в несколько сотен вольт. Это вызывает бомбардировку ионами высокой энергии, которая разбрызгивает любые загрязнения. В случаях, когда плазма содержит ионы металлов, они могут быть имплантированы в подложку на глубину до нескольких нм. HIPIMS используется для создания плазмы с высокой плотностью и высоким содержанием ионов металлов. Если посмотреть на границу раздела пленка-подложка в поперечном сечении, то можно увидеть чистую границу. Эпитаксия или атомный регистр типичен между кристаллом нитридной пленки и кристаллом металлической подложки, когда HIPIMS используется для предварительной обработки.[8] HIPIMS был впервые использован для предварительной обработки стальных поверхностей в феврале 2001 г. А.П. Эхиасаряном.[9]

Для смещения подложки во время предварительной обработки используются высокие напряжения, что требует специальной технологии обнаружения и подавления дуги. Специализированные блоки смещения подложки постоянного тока обеспечивают наиболее универсальный вариант, поскольку они максимизируют скорость травления подложки, минимизируют повреждение подложки и могут работать в системах с несколькими катодами. Альтернативой является использование двух источников питания HIPIMS, синхронизированных в конфигурации ведущий-ведомый: один для установления разряда, а другой для создания импульсного смещения подложки.[10]

Нанесение тонких пленок методом HIPIMS

На рисунке показаны топография поверхности и структура инструментального покрытия HiPIMS FerroCon от CemeCon AG на твердосплавной подложке, увеличенные под электронным микроскопом.

Тонкие пленки осаждение HIPIMS при плотности тока разряда> 0,5 А⋅см−2 имеют плотную столбчатую структуру без пустот.
Впервые об осаждении медных пленок методом HIPIMS сообщил В. Кузнецов для нанесения пломбы 1 мкм. переходные отверстия с соотношением сторон 1: 1,2[11]

Переходный металл нитрид (CrN) впервые были нанесены методом HIPIMS в феврале 2001 г. А.П. Эхиасаряном.[нужна цитата]. Первое тщательное исследование пленок, нанесенных HIPIMS ТЕМ продемонстрировали плотную микроструктуру, свободную от крупномасштабных дефектов.[9] У фильмов был высокий твердость, хороший коррозия сопротивление и низкое скольжение носить коэффициент.[9] Последовавшая коммерциализация аппаратного обеспечения HIPIMS сделала технологию доступной для более широкого научного сообщества и послужила толчком для разработок в ряде областей.

Реактивный HiPIMS

Подобно тому, что наблюдается в обычных реактивных напыление Процесс HiPIMS также использовался для получения пленок на основе оксидов или нитридов на нескольких подложках, как показано в списке ниже. Однако, как это характерно для этих методов, характеристики таких осаждений имеют значительный гистерезис, и их необходимо тщательно исследовать для проверки оптимальных рабочих точек. Существенные обзоры реактивных HiPIMS были опубликованы А. Андерсом.[12] и Кубарт и др ..[13]

Примеры осаждения

Следующие материалы, среди прочего, были успешно депонированы HIPIMS:

Промышленное применение

HIPIMS успешно применяется для нанесения тонких пленок в промышленности, особенно на режущие инструменты. Первые установки для нанесения покрытий HIPIMS появились на рынке в 2006 году.

Золотая версия Apple iPhone 12 Pro использует этот процесс на ленте из конструкционной нержавеющей стали, которая также служит антенной системой устройства.[22]

Преимущества

К основным преимуществам покрытий HIPIMS можно отнести более плотную морфологию покрытия.[23] и повышенное отношение твердости к модулю Юнга по сравнению с обычными покрытиями PVD. В то время как сопоставимые обычные наноструктурированные (Ti, Al) N покрытия имеют твердость 25 ГПа и модуль Юнга 460 ГПа, твердость нового покрытия HIPIMS превышает 30 ГПа при модуле Юнга 368 ГПа. Соотношение между твердостью и модулем Юнга является мерой прочности покрытия. Желательным условием является высокая твердость при относительно небольшом модуле Юнга, который можно найти в покрытиях HIPIMS. Недавно Rtimi et al. Сообщили об инновационных применениях поверхностей с покрытием HIPIMS для биомедицинских приложений.[24]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Импульсное магнетронное распыление большой мощности». 2020. Дои:10.1016 / c2016-0-02463-4. Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  2. ^ а б c Ehiasarian, A.P .; New, R .; Münz, W.-D .; Hultman, L .; Helmersson, U .; Кузнецов, В. (2002). «Влияние высоких плотностей мощности на состав импульсной магнетронной плазмы». Вакуум. 65 (2): 147. Дои:10.1016 / S0042-207X (01) 00475-4.
  3. ^ а б Эхиасарян, Арутюн П. (2008). «Основы и приложения HIPIMS». В Вэй, Жунхуа (ред.). Исследования плазменной поверхности и их практическое применение (1-е изд.). Тривандрам: Указатель исследований. С. 35–87. ISBN 978-81-308-0257-2.
  4. ^ Вернер Кёлькер: Повышенная гибкость в дизайне покрытия PDF. В: Факты о CemeCon. № 36, S. 14–15.[мертвая ссылка]
  5. ^ Козырев, А. В .; Сочугов, Н. С .; Оскомов, К. В .; Захаров, А. Н .; Одиванова, А. Н. (2011). «Оптические исследования неоднородностей плазмы в сильноточном импульсном магнетронном разряде». Отчеты по физике плазмы. 37 (7): 621. Bibcode:2011ПиФР..37..621К. Дои:10.1134 / S1063780X11060122.
  6. ^ а б Ehiasarian, A. P .; Hecimovic, A .; Де Лос Аркос, Т .; New, R .; Schulz-von Der Gathen, V .; Böke, M .; Уинтер, Дж. (2012). «Мощные импульсные магнетронные распыляющие разряды: неустойчивости и самоорганизация плазмы» (PDF). Письма по прикладной физике. 100 (11): 114101. Bibcode:2012АпФЛ.100к4101Е. Дои:10.1063/1.3692172.
  7. ^ Андерс, Андре; Ни, Павел; Раух, Альберт (2012). «Дрейфующая локализация утечки ионизации: раскрытие природы аномального переноса при высокомощном импульсном магнетронном распылении». Журнал прикладной физики. 111 (5): 053304–053304–13. Bibcode:2012JAP ... 111e3304A. Дои:10.1063/1.3692978.
  8. ^ Ehiasarian, A. P .; Wen, J. G .; Петров И. (2007). «Разработка микроструктуры интерфейса с помощью импульсного магнетронного распыления высокой мощности для повышения адгезии». Журнал прикладной физики. 101 (5): 054301–054301–10. Bibcode:2007JAP ... 101e4301E. Дои:10.1063/1.2697052.
  9. ^ а б c Эхиасарян, А.П .; Münz, W.-D; Халтман, L; Helmersson, U; Петров, I (2003). "Мощный импульсный магнетрон с напылением Cr Nx фильмы ». Технология поверхностей и покрытий. 163-164: 267–272. Дои:10.1016 / S0257-8972 (02) 00479-6.
  10. ^ а б Broitman, E .; Czigány, Zs .; Гречинский, Г .; Böhlmark, J .; Cremer, R .; Халтман, Л. (2010). «Промышленное нанесение пленок CNx с высокой адгезией на стальные подложки». Технология поверхностей и покрытий. 204 (21–22): 3349. Дои:10.1016 / j.surfcoat.2010.03.038.
  11. ^ Кузнецов Владимир; Макак, Кароль; Schneider, Jochen M .; Хельмерссон, Ульф; Петров, Иван (1999). «Новая технология импульсного магнетронного распыления, использующая очень высокие плотности мощности мишени». Технология поверхностей и покрытий. 122 (2–3): 290. Дои:10.1016 / S0257-8972 (99) 00292-3.
  12. ^ Андерс, Андре (21 марта 2017 г.). «Учебное пособие: реактивное импульсное магнетронное распыление большой мощности (R-HiPIMS)». Журнал прикладной физики. 121 (17): 171101. Дои:10.1063/1.4978350. ISSN 0021-8979.
  13. ^ Кубарт, Томаш; Гудмундссон, Джон Томас; Лундин, Даниэль (2020), «Реактивное импульсное магнетронное распыление большой мощности», Импульсное магнетронное распыление высокой мощности, Elsevier, стр. 223–263, Дои:10.1016 / b978-0-12-812454-3.00011-5, ISBN 978-0-12-812454-3, получено 18 октября 2020
  14. ^ Purandare, Y.P .; Ehiasarian, A. P .; Овсепян П. Э. (2008). «Нанесение наноразмерных многослойных покрытий методом физического осаждения из паровой фазы CrN / NbN с помощью импульсного магнетронного распыления высокой мощности» (PDF). Журнал вакуумной науки и технологий A: вакуум, поверхности и пленки. 26 (2): 288. Дои:10.1116/1.2839855.
  15. ^ Hovsepian, P.Eh .; Reinhard, C .; Эхиасарян, А.П. (2006). «Покрытия на сверхрешетке CrAlYN / CrN, нанесенные с помощью комбинированного метода высокопроизводительного импульсного магнетронного распыления / несбалансированного магнетронного распыления». Технология поверхностей и покрытий. 201 (7): 4105. Дои:10.1016 / j.surfcoat.2006.08.027.
  16. ^ Konstantinidis, S .; Dauchot, J.P .; Hecq, М. (2006). «Тонкие пленки оксида титана, нанесенные методом мощного импульсного магнетронного распыления». Тонкие твердые пленки. 515 (3): 1182. Bibcode:2006TSF ... 515.1182K. Дои:10.1016 / j.tsf.2006.07.089.
  17. ^ Konstantinidis, S .; Hemberg, A .; Dauchot, J. P .; Hecq, М. (2007). «Нанесение слоев оксида цинка методом мощного импульсного магнетронного распыления». Журнал Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures. 25 (3): L19. Bibcode:2007JVSTB..25L..19K. Дои:10.1116/1.2735968.
  18. ^ Ситтингер, В .; Ruske, F .; Werner, W .; Jacobs, C .; Szyszka, B .; Кристи, Д.Дж. (2008). «Мощное импульсное магнетронное напыление прозрачных проводящих оксидов». Тонкие твердые пленки. 516 (17): 5847. Bibcode:2008TSF ... 516.5847S. Дои:10.1016 / j.tsf.2007.10.031.
  19. ^ Alami, J .; Eklund, P .; Emmerlich, J .; Wilhelmsson, O .; Jansson, U .; Högberg, H .; Hultman, L .; Хельмерссон, У. (2006). «Мощное импульсное магнетронное распыление тонких пленок Ti – Si – C из составной мишени Ti3SiC2». Тонкие твердые пленки. 515 (4): 1731. Bibcode:2006TSF ... 515.1731A. Дои:10.1016 / j.tsf.2006.06.015.
  20. ^ Соучек, П .; Daniel, J .; Hnilica, J .; Bernátová, K .; Zábranský, L .; Буршикова, В .; Ступавска, М .; Вашина, П. (2017). «Сверхтвердые нанокомпозитные покрытия nc-TiC / a-C: H: влияние HiPIMS на микроструктуру и механические свойства покрытия». Технология поверхностей и покрытий. 3116: 257–267. Дои:10.1016 / j.surfcoat.2017.01.021.
  21. ^ Зенкин, Сергей; Белослудцев Александр; Кос, Шимон; Черствы, Радомир; Хавиар, Станислав; Нетрвалова, Мари (2016). «Зависящие от толщины смачивающие свойства и свободная поверхностная энергия тонких пленок HfO2». Письма по прикладной физике. 108 (23): 231602. Bibcode:2016АпФЛ.108в1602З. Дои:10.1063/1.4953262.
  22. ^ Apple Inc. «Apple Event - 13 октября». YouTube. Apple Inc.. Получено 18 октября 2020.
  23. ^ Стефан Больц: [1]. В: Факты о CemeCon. № 35, S. 11–12. В архиве 10 апреля 2019 в Wayback Machine
  24. ^ Ртими, Сами; Багриче, Уалид; Пульгарин, Цезарь; Лаванши, Жан-Клод; Киви, Джон (2013). «Выращивание пленок TiO2 / Cu с помощью HiPIMS для ускоренной потери жизнеспособности бактерий». Технология поверхностей и покрытий. 232: 804–813. Дои:10.1016 / j.surfcoat.2013.06.102.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка