Hochleistungsimpuls-Magnetron-Sputtern

Das Hochleistungsimpuls-Magnetron-Sputtern (HIPIMS oder HiPIMS, auch bekannt als Hochleistungs-Puls-Magnetron-Sputtern, HPPMS) ist ein Verfahren zum physikalischen Aufdampfen dünner Filme, das auf der Magnetron-Sputter-Abscheidung basiert. HIPIMS verwendet extrem hohe Leistungsdichten in der Größenordnung von kW ∙ cm ^-2 in kurzen Impulsen (Impulsen) von einigen zehn Mikrosekunden bei geringem Tastverhältnis (Ein / Aus-Zeitverhältnis) von <> Unterscheidungsmerkmale von HIPIMS sind ein hoher Ionisationsgrad des gesputterten Metalls und eine hohe Rate an molekularer Gasdissoziation, die zu einer hohen Dichte abgeschiedener Filme führt. Der Ionisations- und Dissoziationsgrad steigt entsprechend der Kathodenspitzenleistung. Die Grenze wird durch den Übergang der Entladung von der Glüh- zur Bogenphase bestimmt. Die Spitzenleistung und der Arbeitszyklus werden so gewählt, dass eine durchschnittliche Kathodenleistung ähnlich wie beim herkömmlichen Sputtern (1-10 W cm ^-2 ) aufrechterhalten wird.

HIPIMS wird verwendet für:

●   haftungsverbessernde Vorbehandlung des Substrats vor der Beschichtung (Substratätzen)

●   Abscheidung von dünnen Filmen mit hoher Mikrostrukturdichte

HIPIMS Plasmaentladung

HIPIMS-Plasma wird durch eine Glimmentladung erzeugt, bei der die Entladungsstromdichte mehrere A cm ^{-2 erreichen kann} , während die Entladungsspannung bei mehreren hundert Volt gehalten wird. Die Entladung ist homogen über die Oberfläche der Kathode (Target) verteilt, jedoch oberhalb einer bestimmten Schwelle der Stromdichte konzentriert sie sich in engen Ionisationszonen, die sich entlang eines Pfades bewegen, der als Target-Erosions- "Rennstrecke" bekannt ist.

HIPIMS erzeugt ein Plasma mit hoher Dichte in der Größenordnung von 10³ Ionen ^· cm³, das hohe Anteile von Zielmetallionen enthält. Der Hauptionisationsmechanismus ist der Elektronenstoß, der durch Ladungsaustausch, Diffusion und Plasmaauswurf in Flares ausgeglichen wird. Die Ionisationsraten hängen von der Plasmadichte ab.

Der Ionisationsgrad des Metalldampfes ist eine starke Funktion der Spitzenstromdichte der Entladung. Bei hohen Stromdichten können gesputterte Ionen mit Ladung 2+ und höher - bis zu 5+ für V - erzeugt werden. Das Auftreten von Zielionen mit Ladungszuständen von mehr als 1+ ist für einen möglichen Sekundärelektronenemissionsprozess verantwortlich, der einen höheren Emissionskoeffizienten als die kinetische Sekundäremission herkömmlicher Glimmentladungen aufweist. Die Bildung einer potentiellen Sekundärelektronenemission kann den Strom der Entladung erhöhen.

HIPIMS wird typischerweise in einem Kurzimpulsmodus (Impulsmodus) mit einem niedrigen Arbeitszyklus betrieben, um eine Überhitzung des Ziels und anderer Systemkomponenten zu vermeiden. Bei jedem Puls durchläuft die Entladung mehrere Stufen:

●   elektrischer Zusammenbruch

●   Gasplasma

●   Metallplasma

●   stationärer Zustand, der erreicht werden kann, wenn das Metallplasma dicht genug ist, um das Gasplasma effektiv zu dominieren.

Die negative Spannung (Vorspannung), die an das Substrat angelegt wird, beeinflusst die Energie und Bewegungsrichtung der positiv geladenen Teilchen, die auf das Substrat auftreffen. Der Ein-Aus-Zyklus hat eine Periode in der Größenordnung von Millisekunden. Da das Tastverhältnis klein ist (<10%), ist="" nur="" eine="" geringe="" durchschnittliche="" kathodenleistung="" das="" ergebnis="" (1-10=""> Das Target kann während der "Auszeit" abkühlen, wodurch die Prozessstabilität erhalten bleibt.

Die Entladung, die HIPIMS aufrechterhält, ist eine Hochstromglimmentladung, die vorübergehend oder quasi-stationär ist. Jeder Impuls bleibt bis zu einer kritischen Dauer ein Leuchten, nach dem er zu einer Bogenentladung übergeht. Wenn die Pulslänge unter dem kritischen Wert gehalten wird, arbeitet die Entladung auf unbestimmte Zeit stabil.

Erste Beobachtungen durch schnelle Kameraaufnahmen im Jahr 2008 wurden unabhängig voneinander aufgenommen, mit besserer Präzision gezeigt und bestätigten, dass die meisten Ionisationsprozesse in räumlich sehr begrenzten Ionisationszonen auftreten. Die Driftgeschwindigkeit wurde in der Größenordnung von 104 m / s gemessen, was nur etwa 10% der Elektronendriftgeschwindigkeit entspricht.

Substratvorbehandlung durch HIPIMS

Eine Substratvorbehandlung in einer Plasmaumgebung ist vor dem Abscheiden von Dünnfilmen auf mechanischen Komponenten wie Kraftfahrzeugteilen, Metallschneidwerkzeugen und dekorativen Einbauten erforderlich. Die Substrate werden in ein Plasma eingetaucht und auf eine hohe Spannung von einigen hundert Volt vorgespannt. Dies verursacht Ionenbombardement mit hoher Energie, das jegliche Kontamination wegsputscht. In Fällen, in denen das Plasma Metallionen enthält, können diese bis zu einer Tiefe von einigen nm in das Substrat implantiert werden. HIPIMS wird verwendet, um ein Plasma mit einer hohen Dichte und einem hohen Anteil an Metallionen zu erzeugen. Wenn man die Film-Substrat-Schnittstelle im Querschnitt betrachtet, kann man eine saubere Schnittstelle sehen. Epitaxie oder Atomregistrierung ist typisch zwischen dem Kristall eines Nitridfilms und dem Kristall eines Metallsubstrats, wenn HIPIMS zur Vorbehandlung verwendet wird. HIPIMS wurde erstmals im Februar 2001 von AP Ehiasarian für die Vorbehandlung von Stahlsubstraten eingesetzt.

Die Substratvorspannung während der Vorbehandlung verwendet hohe Spannungen, die eine speziell entwickelte Lichtbogenerkennungs- und -unterdrückungstechnologie erfordern. Dedizierte DC-Substratvorspannungseinheiten bieten die vielseitigste Option, da sie Substratätzraten maximieren, Substratbeschädigung minimieren und in Systemen mit mehreren Kathoden arbeiten können. Eine Alternative ist die Verwendung von zwei HIPIMS-Stromversorgungen, die in einer Master-Slave-Konfiguration synchronisiert sind: eine zum Einrichten der Entladung und eine zum Erzeugen einer gepulsten Substratvorspannung.

Dünnschichtabscheidung durch HIPIMS

Dünnfilme, die durch HIPIMS bei einer Entladungsstromdichte von> 0,5 A · cm ^-2 abgeschieden werden, haben eine dichte säulenförmige Struktur ohne Hohlräume. Die Abscheidung von Kupferfilmen durch HIPIMS wurde erstmals von V. Kouznetsov für die Applikation von 1 μm Durchkontaktierungen mit einem Seitenverhältnis von 1: 1,2 berichtet

Übergangsmetallnitrid (CrN) -Dünnschichten wurden von HIFIMS im Februar 2001 erstmals von AP Ehiasarian abgeschieden. Die erste gründliche Untersuchung von Filmen, die von HIPIMS durch TEMdemontiert wurden, zeigte eine dichte Mikrostruktur, die frei von großen Defektenist. Die Folien hatten eine hohe Härte, eine gute Korrosionsbeständigkeit und einen geringen Gleitverschleißkoeffizienten. Die Kommerzialisierung der HIPIMS-Hardware, die folgte, machte die Technologie für die breitere wissenschaftliche Gemeinschaft zugänglich und löste Entwicklungen in einer Reihe von Bereichen aus.

Folgende Materialien wurden unter anderem erfolgreich von HIPIMS hinterlegt:

●   Korrosionsbeständig: CrN / NbN-Nanoscale-Multilayer

●   Oxidationsbeständig: CrAlYN / CrN , nanoskalig , mehrlagig,   Ti-Al-Si-N, Cr-Al-Si-N-Nanokomposit

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

●   MAX-Phasen: TiSiC

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

●   Hartbeschichtungen: Kohlenstoffnitrid CN _x

●   Hydrophob: HfO ₂

Vorteile

Zu den Hauptvorteilen von HIPIMS-Beschichtungen gehören eine dichtere Schichtmorphologie und ein im Vergleich zu herkömmlichen PVD-Schichten erhöhtes Verhältnis von Härte zu Elastizitätsmodul. Während vergleichbare konventionelle nanostrukturierte (Ti, Al) N-Schichten eine Härte von 25 GPa und einen Elastizitätsmodul von 460 GPa aufweisen, liegt die Härte der neuen HIPIMS-Schicht bei einem Elastizitätsmodul von 368 GPa über 30 GPa. Das Verhältnis zwischen Härte und Elastizitätsmodul ist ein Maß für die Zähigkeitseigenschaften der Beschichtung. Der wünschenswerte Zustand ist eine hohe Härte mit einem relativ kleinen Elastizitätsmodul, wie er in HIPIMS-Beschichtungen gefunden werden kann. Kürzlich wurde von Rtimi et al. Über innovative Anwendungen von HIPIMS-beschichteten Oberflächen für biomedizinische Anwendungen berichtet.