Sputtering a magnetron ad impulsi ad alta potenza

Sputtering di impulsi magnetronici ad alta potenza (HIPIMS o HiPIMS, noto anche come sputtering a magnetron pulsato ad alta potenza, HPPMS) è un metodo per la deposizione fisica in fase vapore di film sottili che si basa sulla deposizione di spettrometri di magnetron. HIPIMS utilizza densità di potenza estremamente elevate dell'ordine di kW ∙ cm ^-2 in impulsi brevi (impulsi) di decine di microsecondi a basso ciclo di lavoro (rapporto tempo di accensione / spegnimento) di <> Le caratteristiche distintive di HIPIMS sono un alto grado di ionizzazione del metallo spruzzato e un'alta percentuale di dissociazione del gas molecolare che provocano un'alta densità di film depositati. Il grado di ionizzazione e dissociazione aumenta in base alla potenza del catodo di picco. Il limite è determinato dalla transizione della scarica dalla fase bagliore ad arco. La potenza di picco e il ciclo di lavoro sono selezionati in modo da mantenere una potenza catodica media simile a quella di sputtering convenzionale (1-10 W ∙ cm ^-2 ).

HIPIMS è usato per:

●   pretrattamento dell'adesivo che migliora il substrato prima della deposizione del rivestimento (attacco di substrato)

●   deposizione di film sottili ad alta densità microstrutturale

Scarica al plasma HIPIMS

Il plasma HIPIMS è generato da una scarica a incandescenza in cui la densità della corrente di scarica può raggiungere diversi A ∙ cm ^-2 , mentre la tensione di scarica viene mantenuta a diverse centinaia di volt. Lo scarico è distribuito omogeneamente sulla superficie del catodo (target) ma al di sopra di una certa soglia di densità di corrente si concentra in zone di ionizzazione ristrette che si muovono lungo un percorso noto come "pista" di erosione bersaglio.

HIPIMS genera un plasma ad alta densità dell'ordine di 1013 ioni ∙ cm ^-3 contenente alte frazioni di ioni metallici bersaglio. Il principale meccanismo di ionizzazione è l'impatto degli elettroni, che è bilanciato dallo scambio di carica, dalla diffusione e dall'espulsione del plasma nei brillamenti. Le velocità di ionizzazione dipendono dalla densità del plasma.

Il grado di ionizzazione del vapore metallico è una forte funzione della densità di corrente di picco della scarica. A densità di corrente elevate, si possono generare ioni con polverizzazione con carica 2+ e superiore - fino a 5+ per V -. La comparsa di ioni bersaglio con stati di carica superiori a 1+ è responsabile di un potenziale processo di emissione di elettroni secondari che ha un coefficiente di emissione più elevato rispetto all'emissione secondaria cinetica trovata nelle tradizionali scariche a bagliore. La creazione di una potenziale emissione di elettroni secondari può aumentare la corrente della scarica.

HIPIMS viene generalmente utilizzato in modalità impulso breve (impulso) con un ciclo di lavoro basso per evitare il surriscaldamento del target e di altri componenti del sistema. In ogni impulso la scarica passa attraverso diverse fasi:

●   guasto elettrico

●   plasma di gas

●   plasma metallico

●   stato stazionario, che può essere raggiunto se il plasma metallico è abbastanza denso da dominare efficacemente il plasma gassoso.

La tensione negativa (tensione di polarizzazione) applicata al substrato influenza l'energia e la direzione di movimento delle particelle caricate positivamente che colpiscono il substrato. Il ciclo on-off ha un periodo dell'ordine di millisecondi. Poiché il ciclo di lavoro è piccolo (<10%), si="" ottiene="" solo="" una="" potenza="" catodica="" media="" bassa="" (1-10=""> L'obiettivo può raffreddarsi durante il "tempo di spegnimento", mantenendo così la stabilità del processo.

Lo scarico che mantiene HIPIMS è una scarica a incandescenza ad alta corrente, che è transitoria o quasistazionaria. Ogni impulso rimane un bagliore fino a una durata critica dopo la quale transita in una scarica ad arco. Se la durata dell'impulso viene mantenuta al di sotto della soglia critica, la scarica funziona in modo stabile a tempo indeterminato.

Le prime osservazioni effettuate con l'imaging della camera veloce nel 2008 sono state registrate in modo indipendente, dimostrate con maggiore precisione e hanno confermato che la maggior parte dei processi di ionizzazione si verificano in zone di ionizzazione spazialmente molto limitate. La velocità di deriva è stata misurata nell'ordine di 104 m / s, che corrisponde a circa il 10% della velocità di deriva elettronica.

Substrato pretreatement di HIPIMS

Il pre-trattamento del substrato in un ambiente al plasma è necessario prima della deposizione di film sottili su componenti meccanici come parti di automobili, utensili per il taglio di metalli e accessori decorativi. I substrati sono immersi in un plasma e polarizzati a una tensione elevata di poche centinaia di volt. Ciò causa un bombardamento ionico ad alta energia che spazza via ogni contaminazione. Nei casi in cui il plasma contiene ioni metallici, possono essere impiantati nel substrato ad una profondità di pochi nm. HIPIMS viene utilizzato per generare un plasma con un'alta densità e un'alta percentuale di ioni metallici. Quando si guarda l'interfaccia film-substrato nella sezione trasversale, si può vedere un'interfaccia pulita. Epitaxy o registro atomico è tipico tra il cristallo di un film di nitruro e il cristallo di un substrato di metallo quando HIPIMS viene utilizzato per il pretrattamento. HIPIMS è stato utilizzato per la pretrattamento dei substrati in acciaio per la prima volta nel febbraio 2001 da AP Ehiasarian.

La polarizzazione del substrato durante il pretrattamento utilizza tensioni elevate, che richiedono una tecnologia di rilevamento e soppressione degli archi progettata appositamente. Le unità di polarizzazione del substrato DC dedicate forniscono l'opzione più versatile in quanto ottimizzano le velocità di attacco del substrato, riducono al minimo il danneggiamento del substrato e possono operare in sistemi con più catodi. Un'alternativa è l'uso di due alimentatori HIPIMS sincronizzati in una configurazione master-slave: uno per stabilire la scarica e uno per produrre una polarizzazione pulsata del substrato.

La deposizione di film sottili di HIPIMS

Le pellicole sottili depositate da HIPIMS alla densità di corrente di scarica> 0,5 A · cm ^-2 hanno una struttura colonnare densa senza vuoti. La deposizione di film di rame di HIPIMS è stata segnalata per la prima volta da V. Kouznetsov per l'applicazione del riempimento di 1 μm di vias con aspect ratio di 1: 1.2

I film sottili di nitruro metallico (CrN) di transizione sono stati depositati da HIPIMS per la prima volta nel febbraio 2001 da AP Ehiasarian. La prima indagine approfondita di film depositati da HIPIMS da TEM ha dimostrato una densa microstruttura, priva di difetti su larga scala. Le pellicole presentavano un'elevata durezza, una buona resistenza alla corrosione e un basso coefficiente di usura. La commercializzazione dell'hardware HIPIMS che seguì rese la tecnologia accessibile alla più ampia comunità scientifica e innescò sviluppi in una serie di settori.

I seguenti materiali sono stati, tra l'altro, depositati con successo da HIPIMS:

●   Resistente alla corrosione: multistrato su scala nanometrica CrN / NbN

●   Resistente all'ossidazione: CrAlYN / CrN , nanoscala , multistrato,   Ti-Al-Si-N, nanocomposito Cr-Al-Si-N

●   Ottico: Ag, TiO ₂ , ZnO, InSnO, ZrO ₂ , CuInGaSe

●   Fasi MAX: TiSiC

●   Microelettronica: Cu, Ti, TiN, Ta, TaN

●   Rivestimenti duri: nitruro di carbonio CN _x

●   Idrofobico: HfO ₂

vantaggi

I principali vantaggi dei rivestimenti HIPIMS includono una morfologia del rivestimento più densa e un rapporto aumentato di durezza rispetto al modulo di Young rispetto ai rivestimenti PVD convenzionali. Mentre i rivestimenti nano strutturati convenzionali (Ti, Al) N hanno una durezza di 25 GPa e un modulo Young di 460 GPa, la durezza del nuovo rivestimento HIPIMS è superiore a 30 GPa con un modulo di Young di 368 GPa. Il rapporto tra la durezza e il modulo di Young è una misura delle proprietà di tenacità del rivestimento. La condizione desiderabile è l'elevata durezza con un modulo di Young relativamente piccolo, come si può trovare nei rivestimenti HIPIMS. Recentemente, le applicazioni innovative di superfici rivestite HIPIMS per applicazioni biomediche sono state riportate da Rtimi et al.