Jump to content

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 ]
На рисунке показана топография поверхности и структура инструментального покрытия HiPIMS FerroCon компании CemeCon AG на твердосплавной подложке, увеличенная под электронным микроскопом.

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:

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]

  1. ^ 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 .
  2. ^ 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 .
  3. ^ Вернер Кёлькер: Повышенная гибкость в проектировании покрытий PDF . В: Факты о CemeCon. № 36, С. 14–15. [ мертвая ссылка ]
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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 .
  6. ^ 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 .
  7. ^ 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 .
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ 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 .
  11. ^ 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.
  12. ^ 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 .
  13. ^ 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.
  14. ^ 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 .
  15. ^ 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 .
  16. ^ 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 .
  17. ^ 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 .
  18. ^ 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 .
  19. ^ 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 .
  20. ^ 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 .
  21. ^ 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 .
  22. ^ 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.
  23. ^ Стефан Больц: [1] . В: Факты о CemeCon. № 35, С. 11–12. Архивировано 10 апреля 2019 года в Wayback Machine.
  24. ^ 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 ]
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 623433ce25350c3f53fc5203ab60d381__1723027980
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/62/81/623433ce25350c3f53fc5203ab60d381.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
High-power impulse magnetron sputtering - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)