Didelio galingumo impulsinis magnetroninis purškimas

Didelio galingumo impulsinis magnetroninis purškimas (HIPIMS arba HiPIMS, taip pat žinomas kaip didelio galingumo impulsinis magnetroninis purškimas, HPPMS) yra fizikinis garų nusodinimas ploniems plėvelėms, kuris yra pagrįstas magnetroninių spindulių nusodinimu. HIPIMS naudoja itin didelės galios tankį, esant maždaug 10% mikrosekundžių, esant mažam darbo ciklui (įjungimo / išjungimo laiko santykiui) dešimčių mikrosekundžių trumpu impulsais (kW ∙ cm ^-2 ). Skirtingi HIPIMS ypatumai yra didelis purškimo metalo jonizavimas ir didelė molekulinės dujų koncentracijos disociacijos sparta, dėl kurios susidaro daug slenksčių. Ionizacijos ir disociacijos laipsnis didėja pagal didžiausią katodo galią. Riba yra nustatoma perleidžiant iškrovimą iš švytėjimo į lankinę fazę. Maksimali galia ir darbo ciklai parenkami taip, kad išlaikytų vidutinę katodo galią, panašią į įprastą purškimą (1-10 W ∙ cm ^-2 ).

HIPIMS naudojamas:

●   sukibimą pagerinantis substrato pirminis apdorojimas prieš padengiant dangą (substrato susiuvimas)

●   plonų plėvelių, turinčių didelį mikrostruktūros tankį, nusėdimas

HIPIMS plazmos išskyros

HIPIMS plazma generuojama spinduliavimo išlydžio, kai išlydžio srovės tankis gali siekti keletą A ∙ cm ^-2 , o išleidimo įtampa palaikoma keliais šimtais voltų. Išlydis homogeniškai paskirstomas katodo (tikslinio) paviršiuje, bet viršija tam tikrą srovės tankio slenkstį, jis tampa koncentruotas siauriose jonizacijos zonose, kurios kerta kelią, vadinamą tiksline erozija "racetrack".

HIPIMS generuoja didelio tankio plazmą, kurio kreivė yra 1013 ions ∙ cm ^-3, kurioje yra didelės tikslinių metalo jonų frakcijos. Pagrindinis jonizacijos mechanizmas yra elektronų smūgis, kuris yra suderintas su įkrova, keitimu, difuzija ir plazmos išmetimu. Jonizacijos greitis priklauso nuo plazmos tankio.

Metalo garų jonizacijos laipsnis yra stiprus išmetimo srovės tankio funkcija. Esant dideliam srovės tankiui, gali būti susidarę purškiami jonai su įkrova 2+ ir aukštesniais - iki 5+. Tikslinių jonų atsiradimas, kai įkrovos būsenos yra aukštesnės nei 1+, yra atsakingas už potencialų antrinių elektronų emisijos procesą, kurio išmetamų teršalų koeficientas yra didesnis nei kinetinės antrinės emisijos, nustatytos įprastuose švytėjimo išmetimuose. Galimo antrinio elektronų išmetimo nustatymas gali padidinti išleidimo srovę.

HIPIMS paprastai veikia trumpuoju impulsiniu (impulsiniu) režimu su mažu darbo ciklu, siekiant išvengti tikslinio ir kitų sistemos komponentų perkaitimo. Kiekviename impulsui išleidimas vyksta keliais etapais:

●   elektros gedimas

●   dujų plazma

●   metalo plazma

●   pastovią būseną, kuri gali būti pasiekta, jei metalinė plazma yra pakankamai tanki, kad veiksmingai dominuotų dujų plazmoje.

Neigiama įtampa (įstrižinė įtampa), veikiama ant substrato, įtakoja teigiamai įkrautų dalelių, kurios paveikė substratą, energiją ir judėjimo kryptį. Išjungto ciklo laikas yra milisekundžių tvarka. Kadangi darbo ciklas yra mažas (<10%), rezultatas="" yra="" tik="" mažas="" vidutinis="" katodo="" galingumas="" (1-10=""> Tikslas gali atvėsti "išjungimo metu", taip išlaikant proceso stabilumą.

Išmetimas, kuris palaiko HIPIMS, yra didelės trukmės švytėjimo išstūmimas, kuris yra trumpalaikis arba kvazistacionarus. Kiekvienas impulsas išlieka švytėjimas iki kritinės trukmės, po kurio jis praeina į lanko iškrovimą. Jei impulsų ilgis laikomas žemiau kritiško, išmetimas veikia stabiliai ir neribotą laiką.

2008 m. Atliktos greitos kameros vaizdinės fotografijos pradinės pastabos buvo užfiksuotos nepriklausomai, parodytos geriau tiksliai ir patvirtintos, parodžiusios, kad dauguma jonizacijos procesų vyksta erdvėje labai ribotose jonizacijos zonose. Matuojamas dreifo greitis siekė 104 m / s, kuris yra tik apie 10% elektronų dreifo greičio.

HIPIMS pagrindo paruošimas

Prieš dengiant plonus sluoksnius ant mechaninių komponentų, tokių kaip automobilių detalės, metalo pjovimo įrankiai ir dekoratyvinės detalės, reikia iš anksto apdoroti pagrindą plazmos aplinkoje. Substratai yra panardinami į plazmą ir nukreipiami į aukštą kelias šimtus voltų įtampą. Tai sukelia didelį energijos jonų bombardavimą, kuris išpurškia bet kokį užteršimą. Tais atvejais, kai plazmoje yra metalų jonų, juos galima implantuoti į substratą iki kelių nm gylio. HIPIMS naudojamas generuoti plazmą su didelio tankio ir dideliu metalo jonų kiekiu. Žvelgiant į padėklo sąsają skerspjūvyje, galima pamatyti švarią sąsają. Epitaksija arba atominė registracija būdinga tarp nitrido plėvelės kristalo ir metalo substrato kristalo, kai HIPIMS naudojamas išankstiniam apdorojimui. HIPIMS pirmą kartą 2001 m. Vasario mėn. Pradėjo gaminti plieno pagrindus, kuriuos pateikė AP Ehiasarian.

Substrato nuokrypis per pirminį apdorojimą naudoja aukštą įtampą, kuriam reikalinga specialiai sukurta lankinio aptikimo ir slopinimo technologija. Paskirti DC substrato šalinimo įtaisai yra universalus variantas, nes jie maksimaliai padidina substrato sietuvą, sumažina substrato pažeidimą ir gali veikti sistemose su daugybe katodų. Alternatyva yra dviejų "HIPIMS" maitinimo šaltinių, sinchronizuotų su pagrindine pavaldžio konfigūracija, naudojimas: vienas nustatomas iškrovimas, o kitas - impulsinio substrato šališkumo generavimas.

HIPIMS plonasluoksnis nusodinimas

Ploni sluoksniai, padengti HIPIMS esant išleidžiamo srovės tankiui> 0,5 A · cm- ^2, turi tankią kolonų konstrukciją be tuštumų. Pirmą kartą HIPIMS varinių pluoštų nusėdimą V.Kouznecovas pranešė už 1 μm įlaidų pripildymą, kurio santykis 1: 1,2

Perdavimo metalo nitrido (CrN) plonuosius plėvelės HIPIMS pirmą kartą deponavo 2001 m. Vasario mėn. AP Ehiasarian. Pirmasis kruopštus HIPIMS deponuotų filmų tyrimas TEM parodė tankią mikrostruktūrą be didelių defektų. Filmai pasižymi dideliu kietumu, geru atsparumu korozijai ir mažu slankiu nusidėvėjimo koeficientu. Vėliau komercializavus HIPIMS aparatūrą, ši technologija tapo prieinama platesnei mokslininkų bendruomenei ir sukėlė pokyčius daugelyje sričių.

Šios medžiagos, be kita ko, sėkmingai buvo deponuoti HIPIMS:

●   Atsparus korozijai: CrN / NbN nanoskanalinis daugiasluoksnis

●   Atsparus oksidacijai: CrAlYN / CrN , nanoskaidos , daugiasluoksnės,   Ti-Al-Si-N, Cr-Al-Si-N nanokompozitas

●   Optiniai: Ag, TiO2, ZnO, InSnO, ZrO ₂ , CuInGaSe

●   MAX fazės: TiSiC

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

●   Kietosios dangos: anglies nitridas CN _x

●   Hidrofobinė: HfO ₂

Privalumai

Pagrindiniai HIPIMS dangų privalumai yra tankesni dengimo morfologija ir padidėjęs kietumo santykis su Youngo moduliu, palyginti su įprastomis PVD dangomis. Kadangi palyginamos tradicinės nanostruktūrinės (Ti, Al) N dangos turi 25 GPa ir 460 GPa Youngo modulių kietumą, naujosios HIPIMS dangos kietumas yra didesnis nei 30 GPa su 368 GPa Youngo moduliu. Kietumo ir jaunojo modulio santykis yra dangos tvirtumo savybių matas. Pageidaujama sąlyga yra didelė kietumas, o santykinai mažas Youngo modulis, pavyzdžiui, galima rasti HIPIMS dangose. Pastaruoju metu Ritim ir kt. Pranešė apie naujoviškus HIPIMS padengtų paviršių panaudojimą biomedicininiams taikymams.