Мощное импульсное магнетронное распыление
Импульсное магнетронное распыление высокой мощности (HIPIMS или HiPIMS, также известное как импульсное магнетронное распыление высокой мощности , HPPMS) — это метод паровой фазы из физического осаждения тонких пленок , основанный на осаждении магнетронным распылением . HIPIMS использует чрезвычайно высокую плотность мощности порядка кВт⋅см. −2 короткими импульсами (импульсами) длительностью в десятки микросекунд при малой скважности (коэффициенте 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 зависимости от пиковой мощности катода. Предел определяется переходом разряда из тлеющей фазы в дуговую. 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 подложки перед нанесением покрытия, улучшающая адгезию (травление подложки)
- нанесение тонких пленок с высокой плотностью микроструктуры
Плазменный разряд HIPIMS
[ редактировать ]Плазма HIPIMS генерируется тлеющим разрядом , плотность тока разряда которого может достигать нескольких А⋅см. −2 , при этом напряжение разряда поддерживается на уровне нескольких сотен вольт. [1] Разряд равномерно распределяется по поверхности катода (мишени), однако выше определенного порога плотности тока он концентрируется в узких зонах ионизации, которые движутся по пути, известному как «гоночная дорожка» эрозии мишени. [2]
высокой плотности HIPIMS генерирует плазму порядка 10 13 ions⋅cm −3 [1] содержащие высокие доли ионов целевого металла. Основным механизмом ионизации является электронный удар, который уравновешивается перезарядкой, диффузией и выбросом плазмы во вспышках. Скорость ионизации зависит от плотности плазмы.
Степень ионизации паров металла сильно зависит от пиковой плотности тока разряда. При больших плотностях тока могут генерироваться распыленные ионы с зарядом 2+ и выше – до 5+ для V. Появление ионов мишени с зарядовым состоянием выше 1+ ответственно за потенциальный процесс вторичной электронной эмиссии, который имеет более высокий коэффициент эмиссии, чем кинетическая вторичная эмиссия, обнаруживаемая в обычных тлеющих разрядах. Установление потенциальной вторичной электронной эмиссии может увеличить ток разряда.
HIPIMS обычно работает в режиме коротких импульсов (импульсов) с малым рабочим циклом , чтобы избежать перегрева мишени и других компонентов системы. В каждом импульсе разряд проходит несколько стадий: [1]
- электрический пробой
- плазменный газ
- металлическая плазма
- стационарное состояние, которое может быть достигнуто, если металлическая плазма достаточно плотна, 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%), в результате получается только низкая средняя катодная мощность (1–10 кВт). Мишень может остывать во время «времени выключения», тем самым сохраняя стабильность процесса. [3]
Разряд, поддерживающий HIPIMS, представляет собой сильноточный тлеющий разряд, который является переходным или квазистационарным . Каждый импульс сохраняет свечение до критической длительности, после чего переходит в дуговой разряд . Если длительность импульса поддерживается ниже критической, разряд работает стабильно неограниченное время.
Первоначальные наблюдения с помощью быстрой съемки камеры [2] в 2008 году были зафиксированы независимо, [4] продемонстрировано с большей точностью, [5] и подтвердил [6] демонстрируя, что большинство процессов ионизации происходят в пространственно очень ограниченных зонах ионизации. Измеренная скорость дрейфа составила порядка 10 4 РС, [5] что составляет всего лишь 10% от скорости дрейфа электронов.
Предварительная обработка подложки с помощью HIPIMS
[ редактировать ]Перед нанесением тонких пленок на механические компоненты, такие как автомобильные детали, металлорежущие инструменты и декоративную фурнитуру, требуется предварительная обработка подложки в плазменной среде. Подложки погружаются в плазму и подключаются к высокому напряжению в несколько сотен вольт. Это вызывает бомбардировку ионами высокой энергии, которая распыляет любые загрязнения. В тех случаях, когда плазма содержит ионы металлов, их можно имплантировать в подложку на глубину нескольких нм. HIPIMS используется для генерации плазмы с высокой плотностью и высоким содержанием ионов металлов. Если посмотреть на границу раздела пленка-подложка в разрезе, можно увидеть чистый интерфейс. Эпитаксия или атомная регистрация типичны между кристаллом нитридной пленки и кристаллом металлической подложки, когда для предварительной обработки используется HIPIMS. [7] HIPIMS впервые был использован для предварительной обработки стальных подложек в феврале 2001 года А. П. Эхиасаряном. [8]
Для смещения подложки во время предварительной обработки используется высокое напряжение, что требует специально разработанной технологии обнаружения и подавления дуги. Специальные блоки смещения подложки постоянного тока представляют собой наиболее универсальный вариант, поскольку они максимизируют скорость травления подложки, минимизируют ее повреждение и могут работать в системах с несколькими катодами. Альтернативой является использование двух источников питания HIPIMS, синхронизированных по схеме «главный-подчиненный»: один для создания разряда, а другой для создания импульсного смещения подложки. [9]
Нанесение тонких пленок с помощью HIPIMS
[ редактировать ]
Тонкие пленки , нанесенные методом HIPIMS при плотности тока разряда > 0,5 А⋅см −2 имеют плотную столбчатую структуру без пустот.
О осаждении медных пленок методом HIPIMS впервые сообщил В. Кузнецов для заполнения отверстий диаметром 1 мкм с соотношением сторон 1:1,2. [10]
переходного металла Тонкие пленки нитрида (CrN) были впервые нанесены с помощью HIPIMS в феврале 2001 года А. П. Эхиасаряном. [11] Первое тщательное исследование пленок, нанесенных методом HIPIMS с помощью ПЭМ, продемонстрировало плотную микроструктуру, свободную от крупномасштабных дефектов. [8] Пленки имели высокую твердость , хорошую коррозионную стойкость и низкий коэффициент износа при скольжении . [8] Последовавшая за этим коммерциализация оборудования HIPIMS сделала эту технологию доступной для более широкого научного сообщества и послужила толчком к развитию в ряде областей.
Реактивный HiPIMS
[ редактировать ]Подобно тому, что наблюдается в обычном процессе реактивного напыления , 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, производительность таких осаждений имеет значительный гистерезис и требует тщательного изучения для проверки оптимальных рабочих точек. Важные обзоры реактивных HiPIMS были опубликованы Андре Андерсом. [12] и Кубарт и др.. [13]
Примеры осаждения
[ редактировать ]Следующие материалы, среди прочего, были успешно депонированы HIPIMS:
- Коррозионностойкий: CrN / NbN [14] наноразмерный многослойный
- Устойчивость к окислению: CrAlYN/CrN [15] наноразмерный многослойный нанокомпозит Ti-Al-Si-N, Cr-Al-Si-N
- Оптика: Ag, TiO 2 , [16] ZnO, [17] ИнСно , [18] ZrO 2 , CuInGaSe
- Фазы MAX: TiSiC [19]
- Микроэлектроника: Cu, Ti, TiN , Ta, TaN
- Твердые покрытия: нитрид углерода CN x , [9] Ti–C Нанокомпозит [20]
- Гидрофобный: HfO 2 [21]
Промышленное применение
[ редактировать ]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.
В золотой версии Apple iPhone 12 Pro этот процесс используется на структурной ленте из нержавеющей стали, которая также служит антенной системой устройства. [22]
Преимущества
[ редактировать ]К основным преимуществам покрытий HIPIMS относится более плотная морфология покрытия. [23] и повышенное соотношение твердости к модулю Юнга по сравнению с обычными покрытиями PVD. В то время как сопоставимые традиционные наноструктурированные покрытия (Ti,Al)N имеют твердость 25 ГПа и модуль Юнга 460 ГПа, твердость нового покрытия HIPIMS превышает 30 ГПа с модулем Юнга 368 ГПа. Соотношение между твердостью и модулем Юнга является мерой прочностных свойств покрытия. Желательным условием является высокая твердость с относительно небольшим модулем Юнга, например, в покрытиях HIPIMS. Недавно Rtimi et al. сообщили об инновационных применениях поверхностей с покрытием HIPIMS в биомедицинских целях. [24]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Эхиасарян, АП; Нью, Р.; Мюнц, В.-Д.; Хультман, Л.; Хельмерссон, У.; Кузнецов, В. (2002). «Влияние высоких плотностей мощности на состав импульсной магнетронной плазмы». Вакуум . 65 (2): 147. Бибкод : 2002Vacuu..65..147E . дои : 10.1016/S0042-207X(01)00475-4 .
- ^ Перейти обратно: а б Ехиасарян, Арутюн П. (2008). «Основы и применение HIPIMS» (PDF) . В Вэй, Жунхуа (ред.). Исследования плазменной поверхности и ее практическое применение (1-е изд.). Тривандрам: исследовательский указатель. стр. 35–87. ISBN 978-81-308-0257-2 .
- ^ Вернер Кёлькер: Повышенная гибкость в проектировании покрытий PDF . В: Факты о CemeCon. № 36, С. 14–15. [ мертвая ссылка ]
- ^ Козырев А.В.; Сочугов Н.С.; Оскомов, К.В.; Захаров А.Н.; Одиванова, АН (2011). «Оптические исследования неоднородностей плазмы в сильноточном импульсном магнетронном разряде». Отчеты по физике плазмы . 37 (7): 621. Бибкод : 2011ПлФР..37..621К . дои : 10.1134/S1063780X11060122 . S2CID 122931905 .
- ^ Перейти обратно: а б Эхиасарян, АП; Хечимович, А.; Де Лос Аркос, Т.; Нью, Р.; Шульц-фон Дер Гатен, В.; Бёке, М.; Винтер, Дж. (2012). «Мощные импульсные магнетронные разряды: нестабильности и самоорганизация плазмы» (PDF) . Письма по прикладной физике . 100 (11): 114101. Бибкод : 2012ApPhL.100k4101E . дои : 10.1063/1.3692172 . S2CID 54737388 .
- ^ Андерс, Андре; Ни, Павел; Раух, Альберт (2012). «Дрейфующая локализация убегания ионизации: раскрытие природы аномального транспорта при мощном импульсном магнетронном распылении» . Журнал прикладной физики . 111 (5): 053304–053304–13. Бибкод : 2012JAP...111e3304A . дои : 10.1063/1.3692978 .
- ^ Эхиасарян, АП; Вэнь, JG; Петров, И. (2007). «Инженерия микроструктуры интерфейса методом мощного импульсного магнетронного распыления для улучшения адгезии». Журнал прикладной физики . 101 (5): 054301–054301–10. Бибкод : 2007JAP...101e4301E . дои : 10.1063/1.2697052 .
- ^ Перейти обратно: а б с Эхиасарян, АП; Мюнц, В.-Д; Хультман, Л; Хельмерссон, Ю; Петров, И (2003). «Мощное импульсное магнетронное распыление пленок Cr Nx ». Технология поверхностей и покрытий . 163–164: 267–272. дои : 10.1016/S0257-8972(02)00479-6 .
- ^ Перейти обратно: а б Бройтман, Э.; Цигани, Зс.; Гречинский, Г.; Бёльмарк, Дж.; Кремер, Р.; Хультман, Л. (2010). «Промышленное нанесение пленок CNx с высокой адгезией на стальные подложки» . Технология поверхностей и покрытий . 204 (21–22): 3349. doi : 10.1016/j.surfcoat.2010.03.038 .
- ^ Кузнецов Владимир; Мачак, Кароль; Шнайдер, Йохен М.; Хельмерссон, Ульф; Петров, Иван (1999). «Новая технология импульсного магнетронного распыления, использующая очень высокую плотность мощности мишени». Технология поверхностей и покрытий . 122 (2–3): 290. doi : 10.1016/S0257-8972(99)00292-3 .
- ^ Ехиасарян, Арутюн (сентябрь 2012 г.). «Самоорганизация плазмы в мощных импульсных магнетронных разрядах» . Серия конференций IOP: Материаловедение и инженерия . 39 (1): 012012. Бибкод : 2012MS&E...39a2012E . дои : 10.1088/1757-899X/39/1/012012 . Проверено 21 апреля 2023 г.
- ^ Андерс, Андре (21 марта 2017 г.). «Учебное пособие: Реактивное импульсное магнетронное распыление высокой мощности (R-HiPIMS)» . Журнал прикладной физики . 121 (17): 171101. Бибкод : 2017JAP...121q1101A . дои : 10.1063/1.4978350 . ISSN 0021-8979 .
- ^ Кубарт, Томаш; Гудмундссон, Джон Томас; Лундин, Дэниел (2020), «Реактивное импульсное магнетронное распыление высокой мощности» , High Power Impulse Magnetron Sputtering , Elsevier, стр. 223–263, doi : 10.1016/b978-0-12-812454-3.00011-5 , ISBN 978-0-12-812454-3 , получено 18 октября 2020 г.
- ^ Пурандаре, Ю.П.; Эхиасарян, АП; Овсепян, П. Э. (2008). «Нанесение наноразмерных многослойных покрытий из паровой фазы CrN/NbN методом мощного импульсного магнетронного распыления» (PDF) . Журнал вакуумной науки и технологий A: Вакуум, поверхности и пленки . 26 (2): 288. Бибкод : 2008JVSTA..26..288P . дои : 10.1116/1.2839855 . S2CID 56321309 .
- ^ Овсепян, П.Э.; Рейнхард, К.; Эхиасарян, AP (2006). «Сверхрешетчатые покрытия CrAlYN/CrN, нанесенные с помощью комбинированной технологии мощного импульсного магнетронного распыления/несбалансированного магнетронного распыления». Технология поверхностей и покрытий . 201 (7): 4105. doi : 10.1016/j.surfcoat.2006.08.027 .
- ^ Константинидис, С.; Дашо, Япония; Хек, М. (2006). «Тонкие пленки оксида титана, нанесенные методом мощного импульсного магнетронного распыления». Тонкие твердые пленки . 515 (3): 1182. Бибкод : 2006TSF...515.1182K . дои : 10.1016/j.tsf.2006.07.089 .
- ^ Константинидис, С.; Хемберг, А.; Дашо, Япония; Хек, М. (2007). «Нанесение слоев оксида цинка методом мощного импульсного магнетронного распыления». Журнал вакуумной науки и технологий B: Микроэлектроника и нанометровые структуры . 25 (3): Л19. Бибкод : 2007JVSTB..25L..19K . дои : 10.1116/1.2735968 .
- ^ Ситтингер, В.; Руске, Ф.; Вернер, В.; Джейкобс, К.; Шишка, Б.; Кристи, диджей (2008). «Мощное импульсное магнетронное распыление прозрачных проводящих оксидов». Тонкие твердые пленки . 516 (17): 5847. Бибкод : 2008TSF...516.5847S . дои : 10.1016/j.tsf.2007.10.031 .
- ^ Алами, Дж.; Эклунд, П.; Эммерлих, Дж.; Вильгельмссон, О.; Янссон, У.; Хёгберг, Х.; Хультман, Л.; Хельмерссон, У. (2006). «Мощное импульсное магнетронное распыление тонких пленок Ti–Si–C из составной мишени Ti3SiC2» . Тонкие твердые пленки . 515 (4): 1731. Бибкод : 2006TSF...515.1731A . дои : 10.1016/j.tsf.2006.06.015 .
- ^ Соучек, П.; Дэниел, Дж.; Хнилица, Дж.; Бернатова, К.; Забранский, Л.; Буршикова, В.; Ступавска, М.; Вашаина, П. (2017). «Сверхтвердые нанокомпозитные покрытия nc-TiC/aC:H: влияние HiPIMS на микроструктуру и механические свойства покрытия». Технология поверхностей и покрытий . 3116 : 257–267. doi : 10.1016/j.surfcoat.2017.01.021 .
- ^ Зенкин, Сергей; Белослудцев Александр; Кос, Саймон; Прэспи, Радомир; Хавиар, Станислав; Нетрвалова, Мария (2016). «Зависящие от толщины смачивающие свойства и свободная поверхностная энергия тонких пленок HfO2». Письма по прикладной физике . 108 (23): 231602. Бибкод : 2016ApPhL.108w1602Z . дои : 10.1063/1.4953262 .
- ^ Apple Inc. (13 октября 2020 г.). «Apple Event — 13 октября» . Ютуб . Apple Inc. Архивировано из оригинала 15 декабря 2021 года . Проверено 18 октября 2020 г.
- ^ Стефан Больц: [1] . В: Факты о CemeCon. № 35, С. 11–12. Архивировано 10 апреля 2019 года в Wayback Machine.
- ^ Ртими, Сами; Багриш, Уалид; Пульгарин, Цезарь; Лаванши, Жан-Клод; Киви, Джон (2013). «Выращивание пленок TiO2/Cu с помощью HiPIMS для ускорения потери жизнеспособности бактерий» . Технология поверхностей и покрытий . 232 : 804–813. doi : 10.1016/j.surfcoat.2013.06.102 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Ехиасарян, Арутюн П. (2008). «Глава 2: Основы и применение HIPIMS». В Жунхуа Вэй (ред.). Исследования плазменной поверхности и ее практическое применение (1-е изд.). Тривандрам: исследовательский указатель. стр. 35–87. ISBN 978-81-308-0257-2 .
- Высокомощное импульсное магнетронное распыление . 2020. doi : 10.1016/c2016-0-02463-4 . ISBN 9780128124543 . S2CID 243631628 .
- Мозгрин, Д.В.; Фетисов И.К.; Ходаченко, Г.В. (1995). «Сильноточный квазистационарный разряд низкого давления в магнитном поле: Экспериментальные исследования». Отчеты по физике плазмы . 21 (5): 400. Бибкод : 1995PlPhR..21..400M .
- Кузнецов Владимир; Мачак, Кароль; Шнайдер, Йохен М.; Хельмерссон, Ульф; Петров, Иван (1999). «Новая технология импульсного магнетронного распыления, использующая очень высокую плотность мощности мишени». Технология поверхностей и покрытий . 122 (2–3): 290. doi : 10.1016/S0257-8972(99)00292-3 .
- А.П. Ехиасарян; Р. Буги (2004). «Промышленное импульсное магнетронное распыление высокой мощности» . 47-я ежегодная техническая конференция Общества вакуумных покрытий; Даллас, Техас; США; 24–29 апреля 2004 г. стр. 486–490.
- Йохан Бёльмарк (март 2005 г.). Основы мощного импульсного магнетронного распыления . Чемфилт. ISBN 978-91-85523-96-2 .
- Хельмерссон, Ульф; Латтеманн, Мартина; Больмарк, Йохан; Ехиасарян, Арутюн П.; Гудмундссон, Джон Томас (2006). «Ионизированное физическое осаждение из паровой фазы (IPVD): обзор технологий и приложений» . Тонкие твердые пленки . 513 (1–2): 1. Бибкод : 2006TSF...513....1H . дои : 10.1016/j.tsf.2006.03.033 .
- Константинидис, С.; Дашо, Япония; Хек, М. (2006). «Тонкие пленки оксида титана, нанесенные методом мощного импульсного магнетронного распыления». Тонкие твердые пленки . 515 (3): 1182. Бибкод : 2006TSF...515.1182K . дои : 10.1016/j.tsf.2006.07.089 .
- Алами, Дж.; Эклунд, П.; Эммерлих, Дж.; Вильгельмссон, О.; Янссон, У.; Хёгберг, Х.; Хультман, Л.; Хельмерссон, У. (2006). «Мощное импульсное магнетронное распыление тонких пленок Ti–Si–C из составной мишени Ti3SiC2» . Тонкие твердые пленки . 515 (4): 1731. Бибкод : 2006TSF...515.1731A . дои : 10.1016/j.tsf.2006.06.015 .
- Ртими, Сами; Багриш, Уалид; Пульгарин, Цезарь; Лаванши, Жан-Клод; Киви, Джон (2013). «Выращивание пленок TiO2/Cu с помощью HiPIMS для ускорения потери жизнеспособности бактерий» . Технология поверхностей и покрытий . 232 : 804–813. doi : 10.1016/j.surfcoat.2013.06.102 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- https://www.cemecon.de/us-en/coating-plants/cc-800-hipims
- http://www.advanced-energy.com/en/SOLVIX.html
- http://materials.shu.ac.uk/ncpvd [ постоянная мертвая ссылка ]
- http://www.ifm.liu.se/plasma/reshppms.html
- http://www.melec.de
- http://www.ionautics.com/
- http://www.starfireindustries.com/impulsetrade-pulsed-power-module.html