Yüksek güçlü impuls manyetron püskürtme

Yüksek güçlü impuls mıknatıslı püskürtme (HIPIMS veya HiPIMS, aynı zamanda yüksek güçlü pulsed magnetron püskürtme, HPPMS olarak da bilinir), manyetik püskürtme birikimine dayanan ince filmlerin fiziksel buhar birikimi için bir yöntemdir. HIPIMS, düşük çalışma çevriminde (açma / kapama zamanı oranı)% 10'un altındaki on mikron saniyelik kısa darbelerde (dürtüler) kW ∙ cm ^-2 düzeyinde son derece yüksek güç yoğunlukları kullanır. HIPIMS'in ayırt edici özellikleri, püskürtülen metalin yüksek derecede iyonlaşması ve yüksek yoğunlukta moleküler gaz ayrışması olup, bu da yüksek yoğunlukta biriken filmler oluşturmaktadır. İyonizasyon ve ayrışma derecesi tepe katot gücüne göre artar. Sınır, deşarjın parlaklıktan ark fazına geçişiyle belirlenir. Zirve gücü ve görev döngüsü, geleneksel bir püskürtüye benzeyen ortalama bir katot gücünü (1-10 W ∙ cm ^-2 ) muhafaza edecek şekilde seçilir.

HIPIMS aşağıdakiler için kullanılır:

●   kaplamanın çökeltilmesinden önce substratın yapışmayı arttıran ön-muamelesi (substrat aşındırma)

●   Yüksek mikroyapı yoğunluğuna sahip ince filmlerin birikimi

HIPIMS plazma deşarjı

HIPIMS plazma, deşarj akım yoğunluğunun birkaç A ∙ cm ^-2'ye ulaşabileceği bir ışıma deşarjı ile üretilirken, deşarj voltajı birkaç yüz voltta muhafaza edilir. Deşarj, katotun (hedefin) yüzeyi boyunca homojen olarak dağıtılır ancak belirli bir eşik akım barajının üstünde, hedef erozyon "pist" olarak bilinen bir yol boyunca hareket eden dar iyonizasyon bölgelerinde yoğunlaşır.

HIPIMS, hedef metal iyonlarının yüksek kesirlerini içeren 1013 iyon ∙ cm ^-3 düzeyinde bir yüksek yoğunluklu plazma üretir. Ana iyonizasyon mekanizması, yük değişimleri, difüzyon ve fişeklerde plazma çıkışı ile dengelenen elektron çarpmasıdır. İyonlaşma hızı, plazma yoğunluğuna bağlıdır.

Metal buharının iyonizasyon derecesi deşarjın tepe akım yoğunluğunun güçlü bir fonksiyonudur. Yüksek akım yoğunluklarında, V + için 5+ şarjlı, 2+ ve daha yüksek yüklü püskürtülmüş iyonlar üretilebilir. 1+ 'dan yüksek yüklenme durumlarına sahip hedef iyonların görünümü, geleneksel kızdırma deşarjlarında bulunan kinetik ikincil emisyona kıyasla daha yüksek emisyon katsayısına sahip potansiyel ikincil elektron emisyon prosesinden sorumludur. Potansiyel bir sekonder elektron emisyonunun kurulması, deşarj akımını artırabilir.

HIPIMS, hedefin ve diğer sistem bileşenlerinin aşırı ısınmasını önlemek için genellikle düşük darbeli, kısa darbe (darbe) modunda çalıştırılır. Her darbede deşarj birkaç aşamadan geçiyor:

●   elektrik arızası

●   gaz plazması

●   metal plazma

●   metal plazma, gaz plazması üzerinde etkin bir şekilde hakim olmak için yeterince yoğunsa, ulaşılabilir.

Alt tabakaya uygulanan negatif voltaj (ön gerilim), alt tabakaya pozitif yüklü parçacıkların hareket enerjisini ve hareket yönünü etkiler. Açma-kapama çevriminin milisaniye boyunca bir periyodu vardır. Görev çevrimi küçük olduğu için (<% 10), yalnızca düşük ortalama katot gücü (1-10 kW) olur. The target can cool down during the “off time”, thereby maintaining process stability. Hedef, "kapalı zaman" sırasında soğumak suretiyle proses kararlılığını korur.

The discharge that maintains HIPIMS is a high-current glow discharge, which is transient or quasistationary. HIPIMS'i muhafaza eden deşarj, geçici veya quasistasyonel olan yüksek akımlı bir ışıma deşarjıdır. Each pulse remains a glow up to a critical duration after which it transits to an arc discharge. Her impuls, kritik bir süreye kadar parlayan olarak kalır ve sonrasında ark deşarjına geçilir. If pulse length is kept below the critical, the discharge operates in a stable fashion indefinitely. Darbe uzunluğu kritik değerlerin altında tutulursa, deşarj sürekli olarak istikrarlı bir şekilde çalışır.

Initial observations by fast camera imaging in 2008 were recorded independently, demonstrated with better precision, and confirmed demonstrating that most ionization processes occur in spatially very limited ionization zones. 2008'deki hızlı kamera görüntülemesiyle yapılan ilk gözlemler bağımsız olarak kaydedildi, daha iyi hassasiyetle gösterildi ve çoğu iyonizasyon işleminin mekansal olarak çok sınırlı iyonizasyon bölgelerinde gerçekleştiğini doğruladı. The drift velocity was measured to be of the order of 104 m/s, which is about only 10% of the electron drift velocity. Sürüklenme hızı, elektron sürüklenme hızının yaklaşık% 10'u olan 104 m / s düzeyinde ölçülmüştür.

Substrate pretreatement by HIPIMS HIPIMS tarafından alt tabaka ön işleme

Substrate pretreatment in a plasma environment is required prior to deposition of thin films on mechanical components such as automotive parts, metal cutting tools and decorative fittings. Otomotiv parçaları, metal kesme aletleri ve dekoratif parçalar gibi mekanik bileşenler üzerine ince filmlerin yerleştirilmesinden önce bir plazma ortamında alt tabaka ön-muamelesi gereklidir. The substrates are immersed in a plasma and biased to a high voltage of a few hundred volts. Substratlar bir plazma batırılır ve birkaç yüz voltluk yüksek voltaja itilir. This causes high energy ion bombardment that sputters away any contamination. Bu, yüksek enerjili iyon bombardımanına neden olur ve bu da kontaminasyonu bulaştırır. In cases when the plasma contains metal ions, they can be implanted into the substrate to a depth of a few nm. Plazma metal iyonları içerdiğinde, birkaç nm derinliğe kadar alt tabakaya implante edilebilirler. HIPIMS is used to generate a plasma with a high density and high proportion of metal ions. HIPIMS yüksek yoğunluklu ve yüksek oranlarda metal iyonları olan bir plazma üretmek için kullanılır. When looking at the film-substrate interface in cross-section, one can see a clean interface. Kesitte film-substrat arabirimine bakıldığında, temiz bir arabirim görebilirsiniz. Epitaxy or atomic registry is typical between the crystal of a nitride film and the crystal of a metal substrate when HIPIMS is used for pretreatment. HIPIMS ön muamele için kullanıldığında, bir nitrür filmin kristali ile bir metal substrat kristali arasında epitoplama veya atom kayıtları tipiktir. HIPIMS has been used for the pretreatment of steel substrates for the first time in February 2001 by AP Ehiasarian. HIPIMS, Şubat 2001'de AP Ehiasarian tarafından çelik alt tabakaların ön işleme hazırlanması için kullanılmıştır.

Substrate biasing during pretreatment uses high voltages, which require purpose-designed arc detection and suppression technology. Ön muamele esnasında substrat önyüklemesi, amaçla tasarlanmış ark saptama ve bastırma teknolojisi gerektiren yüksek voltaj kullanır. Dedicated DC substrate biasing units provide the most versatile option as they maximize substrate etch rates, minimise substrate damage, and can operate in systems with multiple cathodes. Dedicated DC substrat önyükleme üniteleri, substrat aşınma oranlarını maksimize edip yüzey hasarını en aza indirgediğinden ve çok katotlu sistemlerde çalışabildikleri için en çok yönlü seçeneği sunar. An alternative is the use of two HIPIMS power supplies synchronised in a master–slave configuration: one to establish the discharge and one to produce a pulsed substrate bias. Alternatif olarak, master-slave konfigürasyonda senkronize edilen iki adet HIPIMS gç kaynağı kullanılır: biri deşarjın kurulması ve diğeri de darbeli bir substrat önyargı üretmektir.

Thin-film deposition by HIPIMS HIPIMS ile ince film biriktirme

Thin films deposited by HIPIMS at discharge current density>0.5 A·cm ^-2 have a dense columnar structure with no voids. HIPIMS tarafından boşalma akım yoğunluğu> 0,5 A cm2 olan ince filmler, boşluksuz, yoğun sütun yapısına sahiptir. The deposition of copper films by HIPIMS was reported for the first time by V. Kouznetsov for the application of filling 1 µm vias with aspect ratio of 1:1.2 HIPIMS tarafından bakır filmlerin birikimi, ilk kez V. Kouznetsov tarafından, 1: 1 en-boy oranı ile 1 um'lik dolgu dolumlarının uygulanması için bildirildi

Transition metal nitride (CrN) thin films were deposited by HIPIMS for the first time in February 2001 by AP Ehiasarian. Geçiş metali nitrür (CrN) ince filmleri HIPIMS tarafından Şubat 2001'de AP Ehiasarian tarafından ilk kez biriktirildi. The first thorough investigation of films deposited by HIPIMS by TEMdemonstrated a dense microstructure, free of large scale defects. HIPIMS tarafından TEM tarafından biriktirilen filmlerin ilk incelenmesi yoğun boyutlu bir kusur içermeyen yoğun bir mikro yapıyı ortaya koymuştur. The films had a high hardness, good corrosion resistance and low sliding wear coefficient. Filmlerin sertliği yüksek, korozyon direnci ve kayma aşınma katsayısı düşüktür. The commercialisation of HIPIMS hardware that followed made the technology accessible to the wider scientific community and triggered developments in a number of areas. Takip eden HIPIMS donanımının ticarileştirilmesi, teknolojiyi daha geniş bilimsel topluluğa erişilebilir hale getirdi ve birtakım alanlardaki gelişmeleri tetikledi.

The following materials have, among others, been deposited successfully by HIPIMS: Aşağıdaki malzemeler HIPIMS tarafından başarıyla teslim edilmiştir:

● ●   Corrosion Resistant: CrN/NbN nanoscale multilayer Korozyona Dayanıklı: CrN / NbN nano ölçekli çok tabakalı

● ●   Oxidation Resistant: CrAlYN/CrN , nanoscale , multilayer, Oksidasyona Dirençli: CrAlYN / CrN , nano ölçekli , çok tabakalı,   Ti-Al-Si-N, Cr-Al-Si-N nanocomposite Ti-Al-Si-N, Cr-Al-Si-N nanokompozit

● ●   Optical: Ag, TiO ₂ , ZnO, InSnO, ZrO ₂ , CuInGaSe Optik: Ag, Ti02, ZnO, InSnO, ZrO2, CuInGaSe

● ●   MAX phases: TiSiC MAX fazlar: TiSiC

● ●   Microelectronics: Cu, Ti, TiN, Ta, TaN Mikroelektronik: Cu, Ti, TiN, Ta, TaN

● ●   Hard Coatings: carbon nitride CN _x Sert Kaplamalar: karbon nitrit CN _x

● ●   Hydrophobic: HfO ₂ Hidrofobik: HfO2

Advantages Avantajları

The main advantages of HIPIMS coatings include a denser coating morphology and an increased ratio of hardness to Young's modulus compared to conventional PVD coatings. HIPIMS kaplamalarının ana avantajları arasında, daha yoğun bir kaplama morfolojisi ve geleneksel PVD kaplamalara kıyasla Young modülüne karşı artan sertlik oranı vardır. Whereas comparable conventional nano-structured (Ti,Al)N coatings have a hardness of 25 GPa and a Young's modulus of 460 GPa, the hardness of the new HIPIMS coating is higher than 30 GPa with a Young's modulus of 368 GPa. Benzer klasik nano yapılı (Ti, Al) N kaplamalar 25 GPa'lık bir sertliğe ve 460 GPa'lık bir Young modülüne sahipken, yeni HIPIMS kaplamanın sertliği 368 GPa'lık bir Young modülüyle 30 GPa'dan daha yüksektir. The ratio between hardness and Young's modulus is a measure of the toughness properties of the coating. Sertlik ve Young modülü arasındaki oran, kaplamanın tokluk özelliklerinin bir ölçüsüdür. The desirable condition is high hardness with a relatively small Young's modulus, such as can be found in HIPIMS coatings. Arzulanan koşul, HIPIMS kaplamalarda bulunabileceği gibi nispeten küçük bir Young modülüyle yüksek sertliktir. Recently, innovative applications of HIPIMS coated surfaces for biomedical applications were reported by Rtimi et al. Yakın zamanda, biyomedikal uygulamalar için HIPIMS kaplı yüzeylerin yenilikçi uygulamaları Rtimi ve ark. Tarafından bildirilmiştir.