Vysokovýkonový impulzný magnetronový rozprašovač

Vysokovýkonový impulzný magnetronový rozprašovač (HIPIMS alebo HiPIMS, tiež známy ako veľkokapacitné pulzné magnetronové rozprašovanie, HPPMS) je metóda fyzikálneho nanášania výparov tenkých vrstiev, ktorá je založená na nanášaní magnetrónovým naprašovaním. HIPIMS využíva mimoriadne vysokú hustotu výkonu rádovo kW ∙ cm ^-2 v krátkych impulzoch (impulzoch) desiatok mikrosekúnd pri nízkych pracovných cykloch (časový pomer on / off) <> Charakteristické znaky HIPIMS sú vysoký stupeň ionizácie naprašovaného kovu a vysoká miera disociácie molekulárneho plynu, ktorá vedie k vysokej hustote uložených filmov. Stupeň ionizácie a disociácie sa zvyšuje podľa výkonu špičkovej katódy. Limit je určený prechodom výboja z žiarenia do oblúkovej fázy. Maximálny výkon a pracovný cyklus sa vyberajú tak, aby sa zachoval priemerný výkon katódy podobný konvenčnému naprašovaniu (1-10 W ∙ cm ^-2 ).

HIPIMS sa používa na:

●   zlepšenie adhézie predbežnej úpravy substrátu pred nanášaním povlaku (leptanie substrátu)

●   ukladanie tenkých vrstiev s vysokou hustotou mikroštruktúry

Plazmový výtok HIPIMS

Plazma HIPIMS sa generuje žieravým výbojom, kde hustota výbojového prúdu môže dosiahnuť niekoľko A ∙ cm ^-2 , zatiaľ čo vypúšťacie napätie je udržované na niekoľkých stovkách voltov. Vypúšťanie je homogénne rozmiestnené po povrchu katódy (cieľa), ale nad určitou prahovou hodnotou prúdovej hustoty sa stáva koncentrovaným v úzkych ionizačných zónach, ktoré sa pohybujú pozdĺž cesty známej ako cieľová erózia "závodná dráha".

HIPIMS generuje plazmu s vysokou hustotou rádovo 1013 iónov ∙ cm ^-3 obsahujúcich vysoké frakcie cieľových kovových iónov. Hlavným ionizačným mechanizmom je náraz elektronov, ktorý je vyvážený výmenou náboja, difúziou a vyhadzovaním plazmy v ramenách. Rýchlosti ionizácie závisia od hustoty plazmy.

Stupeň ionizácie kovových pár je silnou funkciou špičkovej prúdovej hustoty výboja. Pri vysokých prúdových hustotách môžu byť generované naprašované ióny s nábojom 2+ a vyššie - až 5 + pre V -. Vzhľad cieľových iónov s nábojovými stavmi vyššími ako 1+ je zodpovedný za potenciálny proces emisií sekundárnych elektrónov, ktorý má vyšší emisný koeficient než kinetická sekundárna emisia, ktorá sa vyskytuje pri konvenčných výbojoch žíl. Vytvorenie potenciálnych emisií sekundárnych elektrónov môže zvýšiť prúd výboja.

HIPIMS sa zvyčajne prevádzkuje v krátkom impulznom (impulznom) režime s nízkym pracovným cyklom, aby sa predišlo prehriatiu cieľových a iných systémových komponentov. V každom impulze vypúšťanie prechádza niekoľkými fázami:

●   elektrické poruchy

●   plynovej plazmy

●   kovovej plazmy

●   v ustálenom stave, čo sa dá dosiahnuť, ak je plazma kovu dostatočne hustá na to, aby účinne dominovala nad plynovou plazmou.

Záporné napätie (biasové napätie) aplikované na substrát ovplyvňuje energiu a smer pohybu kladne nabitých častíc, ktoré zasiahli substrát. Cyklus zapnutia a vypnutia má čas v poradí milisekúnd. Keďže pracovný cyklus je malý (<10%), výsledkom="" je="" iba="" nízky="" priemer="" katódového="" výkonu="" (1-10=""> Cieľ sa počas "vypnutia" môže ochladiť, čím sa zachová stabilita procesu.

Vybíjanie, ktoré udržiava HIPIMS, je silnoprúdový výboj, ktorý je prechodný alebo kvazistačný. Každý impulz zostáva žiariť až do kritického trvania, po ktorom prechádza na oblúkové výboje. Ak sa dĺžka impulzov udržiava pod kritickou hodnotou, výboj funguje stabilne na neurčito.

Počiatočné pozorovania pomocou rýchlych snímok z kamery v roku 2008 boli zaznamenané nezávisle, preukázané s lepšou presnosťou a potvrdili, že väčšina ionizačných procesov sa vyskytuje v priestorovo veľmi obmedzených ionizačných zónach. Rýchlosť driftu sa merala tak, že bola rádovo 104 m / s, čo je len asi 10% rýchlosti posunu elektrónov.

Predspracovanie substrátu spoločnosťou HIPIMS

Pred nanášaním tenkých vrstiev na mechanické súčasti, ako sú automobilové diely, nástroje na rezanie kovov a dekoratívne príslušenstvo, sa vyžaduje predúprava substrátu v plazmovom prostredí. Substráty sú ponorené do plazmy a napájané na vysoké napätie niekoľko stoviek voltov. To spôsobuje bombardovanie s vysokým energetickým iónom, ktoré spôsobuje znečistenie. V prípadoch, keď plazma obsahuje ióny kovov, môžu byť implantované do substrátu do hĺbky niekoľkých nm. HIPIMS sa používa na generovanie plazmy s vysokou hustotou a vysokým podielom kovových iónov. Pri pohľade na rozhranie fólie-substrátu v priečnom reze je vidieť čisté rozhranie. Epitaxia alebo atómová registrácia je typická medzi kryštálom nitridového filmu a kryštálom kovového substrátu, keď sa HIPIMS používa na predúpravu. HIPIMS sa po prvýkrát vo februári 2001 použil na predúpravu oceľových substrátov spoločnosťou AP Ehiasarian.

Predpätie substrátu počas predbežného spracovania využíva vysoké napätie, ktoré si vyžadujú účelovú technológiu detekcie oblúkov a potlačenie. Určené jednotky predpínania DC substrátu poskytujú najuniverzálnejšiu možnosť, pretože maximalizujú rýchlosť lepenia substrátu, minimalizujú poškodenie substrátu a môžu pracovať v systémoch s viacerými katódami. Alternatívou je použitie dvoch napájacích zdrojov HIPIMS synchronizovaných v konfigurácii master-slave: jedna na stanovenie výboja a jedna na vytvorenie pulznej predpätie substrátu.

Tenkovrstvový nános HIPIMS

Tenké vrstvy nanášané pomocou HIPIMS s hustotou prúdenia prúdu> 0,5 A · cm2 majú hustú stĺpovú štruktúru bez dutín. Ukladanie medených fólií HIPIMSom prvýkrát uviedol V. Kouznetsov pre nanášanie plniacich väzieb 1 μm s pomerom strán 1: 1,2

Tenké filmy s nitridom prechodného kovu (CrN) boli HIPIMSom uložené po prvýkrát vo februári 2001 spoločnosťou AP Ehiasarian. Prvé dôkladné vyšetrenie filmov uložených spoločnosťou HIPIMS spoločnosťou TEM demonštrovalo hustú mikroštruktúru, ktorá neobsahovala chyby vo veľkom meradle. Fólie mali vysokú tvrdosť, dobrú odolnosť proti korózii a nízky koeficient opotrebovania. Komercializácia hardvéru HIPIMS, ktorá nasledovala, umožnila technológiu prístupnej širšej vedeckej obci a spustila vývoj v mnohých oblastiach.

Nasledujúce materiály okrem iného boli úspešne uložené spoločnosťou HIPIMS:

●   Odolnosť proti korózii: viacvrstvová nanoúrovňová CrN / NbN

●   Odolnosť voči oxidácii: CrAlYN / CrN , nanometrický , viacvrstvový,   Ti-Al-Si-N, Cr-Al-Si-N nanokompozit

●   Optické: Ag, Ti02, ZnO, InSnO, Zr02, CuInGaSe

●   MAX fázy: TiSiC

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

●   Pevné nátery: nitrid uhličitý CN _x

●   Hydrofóbne: HfO2

výhody

Medzi hlavné výhody náterov HIPIMS patrí hustšia morfológia náterov a zvýšený pomer tvrdosti k Youngovmu modulu v porovnaní s konvenčnými PVD nátermi. Zatiaľ čo porovnateľné konvenčné nanoštruktúrované (Ti, Al) N povlaky majú tvrdosť 25 GPa a Youngov modul 460 GPa, tvrdosť nového HIPIMS povlaku je vyššia ako 30 GPa s Youngovým modulom 368 GPa. Pomer medzi tvrdosťou a Youngovým modulom je mierou húževnatosti povlaku. Požadovaným stavom je vysoká tvrdosť s relatívne malým Youngovým modulom, ktorý sa nachádza v náteroch HIPIMS. Nedávno boli inovatívne aplikácie povrchov potiahnutých HIPIMS pre biomedicínske aplikácie opísané Rtimi a kol.