اسپکترومغناطیسی مگنتن Impulse قدرت بالا

Sputtering Magnetron impulse high power (HIPIMS یا HiPIMS، همچنین به عنوان اسپری شدن مگنترون پالس با قدرت بالا، HPPMS شناخته می شود) یک روش برای تخلیه بخار فیزیکی فیلم های نازک است که براساس رسوب اسپات مگنترون است. HIPIMS با استفاده از تراکم بسیار بالایی از جرم kW ∙ cm ^-2 در پالس های کوتاه (ضربان) ده ها میکروثانیه در زمان کار کم (نسبت زمان روشن / خاموش) <10٪ استفاده="" می=""> ویژگی های برجسته HIPIMS، درجه بالایی از یونیزاسیون فلزات اسپری شده و میزان بالای انحلال گاز مولکولی است که منجر به تراکم زیاد فیلم های رسوب شده می شود. درجه یونیزاسیون و تفکیک شدن با توجه به قدرت حداکثر کاتد افزایش می یابد. این حد از طریق انتقال تخلیه از مرحله تابش به قوس تعیین می شود. حداکثر توان و چرخه کار را انتخاب می کنند تا بتوانند به طور متوسط ​​قدرت کاتد مشابه پاشش معمولی (1-10 W ∙ cm ^-2 ) را حفظ کنند.

HIPIMS برای موارد زیر استفاده می شود:

●   پیشگیری از چسبندگی پیش سازه بستر قبل از رسوب پوشش (اچینگ ساب)

●   رسوب کردن فیلم های نازک با تراکم میکروارگانیسم بالا

تخلیه پلاسمای HIPIMS

پلاسما HIPIMS توسط یک تخلیه درخشان تولید می شود که در آن چگالی جریان تخلیه می تواند به چند A ∙ cm ^{-2 برسد} ، در حالی که ولتاژ تخلیه در چند صد ولت نگهداری می شود. تخلیه همگن در سطح کاتد (هدف) توزیع می شود اما بالاتر از یک آستانه مشخص تراکم جاری در ناحیه یونیزاسیون محدود است که در امتداد یک مسیر شناخته شده به عنوان فرسایش هدف "روروک مخصوص بچه ها" حرکت می کند.

HIPIMS یک پلاسما با چگالی بالا را به ترتیب 1013 یون ∙ سانتی متر تشکیل می دهد که حاوی قطعات بسیار زیادی از یون های فلزی هدف است. مکانیزم اصلی یونیزاسیون اثر الکترون است که تعادل شارژ، انتشار و انتشار پلاسما را در شعله ها متعادل می کند. نرخ یونیزاسیون بستگی به تراکم پلاسما دارد.

درجه یونیزاسیون بخار فلز یک عملکرد قوی از تراکم پیک جریان جاری است. در تراکم های بالا جاری، یون های پرتاب شده با بار 2+ و بالاتر - تا 5+ برای V - می توانند تولید شوند. ظهور یونهای هدف با حالت های شارژ بالاتر از 1+ مسئول یک فرآیند انتشار الکترونی بالقوه بالقوه است که دارای ضریب انتشار بالاتر نسبت به انتشار ثانویه سینتیکی است که در تخلیه های معمول تابش دیده شده است. ایجاد یک انتشار الکترونی بالقوه ممکن است جریان تخلیه را افزایش دهد.

HIPIMS به طور معمول در حالت پالس کوتاه (مدولاسیون) با یک چرخه کاری کم کار می کند تا اجتناب از بیش از حد هدف و سایر اجزای سیستم شود. در هر پالس، تخلیه از طریق چند مرحله انجام می شود:

●   شکستگی الکتریکی

●   پلاسما گاز

●   پلاسما فلزی

●   حالت پایدار، که ممکن است در صورتی که پلاسما فلزی به اندازه کافی متراکم باشد تا به طور موثر بر پلاسما گاز غلبه کند.

ولتاژ منفی (اعوجاج ولتاژ) بر روی بستر بر انرژی و جهت حرکت ذرات با بار مثبت تاثیر می گذارد که بر بستر تاثیر می گذارد. چرخه خاموش کردن یک دوره به ترتیب میلی ثانیه است. از آنجا که چرخه کار کوچک است (کمتر از 10٪)، تنها قدرت متوسط ​​كاتد متوسط ​​(10-10 کیلو وات) است. هدف در طول زمان خاموش می تواند خنک شود و در نتیجه ثبات فرآیند را حفظ می کند.

تخلیه ای که HIPIMS را حفظ می کند تخلیه درخشندگی در حال جریان است که به طور موقت یا پایدار است. هر پالس تا یک دوره بحرانی باقی می ماند و پس از آن به یک ترشح قوس منتقل می شود. اگر طول پالس در زیر بحرانی نگه داشته شود، تخلیه به طور مداوم به طور نامحدود اجرا می شود.

مشاهدات اولیه از طریق تصویربرداری سریع دوربین در سال 2008 به طور مستقل ثبت شد، با دقت بهتر نشان داده شد و تایید شد که نشان می دهد که بیشتر فرآیندهای یونیزاسیون در مناطق بسیار محدود یونیزاسیون رخ می دهد. سرعت رانش به ترتیب 104 m / s اندازه گیری شد که حدود 10٪ سرعت رانش الکترون است.

پیش آماده سازی Substrate توسط HIPIMS

پیش پردازش بستر در محیط پلاسما قبل از تهیه فیلمهای نازک بر روی اجزای مکانیکی مانند قطعات خودرو، ابزار برش فلز و اتصالات تزئینی مورد نیاز است. بسترها در یک پلاسما غوطه ور شده و به ولتاژ بالا چند صد ولت تعویض می شوند. این باعث بمباران یون های با انرژی بالا می شود که هر آلودگی را از بین می برد. در مواردی که پلاسما حاوی یونهای فلزی باشد، می توان آنها را به عمق چند نانومتر در بستر گذاشت. HIPIMS برای تولید یک پلاسما با تراکم بالا و درصد بالایی از یون های فلزی استفاده می شود. هنگام نگاه کردن به رابط فیلم Substrate در مقطع عرضی، می توان یک رابط تمیز را مشاهده کرد. اپیتاکسی یا رجیستری اتمی بین کریستال یک فیلم نیترید و کریستال سوبستری فلزی هنگامی که HIPIMS برای پیش تصفیه استفاده می شود، معمول است. HIPIMS برای اولین بار در فوریه 2001 توسط AP Ehiasarian مورد استفاده قرار گرفته است.

تعویض بستر در طی پیش پردازش از ولتاژ بالا استفاده می کند که نیاز به تکنولوژی تشخیص قوس و طراحی سرکوب شده دارد. واحد های تعادلی اختصاصی دی سی DC ارائه گزینه های همه کاره را به عنوان آنها به حداکثر رساندن نرخ بتونه بستر، به حداقل رساندن آسیب بستر، و می تواند در سیستم های با کاتد چند کار می کنند. یک جایگزین این است که استفاده از دو منبع تغذیه HIPIMS هماهنگ در پیکربندی master-slave: یکی برای ایجاد تخلیه و یک برای ایجاد تعادل بستر پالس.

رسوب نازک فیلم توسط HIPIMS

فیلم های ضخیم پوشیده شده توسط HIPIMS در تراکم جریان تخلیه> 0.5 A · cm- ² دارای ساختار ستون مخزن متراکم و بدون حفره هستند. تهیه فیلم های مس توسط HIPIMS برای اولین بار توسط V. Kouznetsov برای استفاده از پر پر شدن μm vias با نسبت تصویر 1: 1.2 گزارش شد

برای اولین بار در فوریه سال 2001 توسط AP Ehiasarian، HIPIMS فلز نیترویید فلزی Transition metal (CrN) تهیه شد. اولین بررسی کامل فیلم هایی که توسط HIPIMS توسط TEM سپرده شد، یک ریز ساختار متراکم، بدون نقص در مقیاس بزرگ. این فیلم ها دارای سختی بالا، مقاومت در برابر خوردگی و ضخامت کم کشویی است. تجاری سازی سخت افزار HIPIMS که به دنبال آن تکنولوژی را برای جامعه علمی گسترده تر در دسترس قرار داد و موجب تحول در تعدادی از مناطق شد.

مواد زیر، از جمله دیگر، توسط HIPIMS به طور موفقیت آمیزی سپرده شده است:

●   مقاوم در برابر خوردگی: چند لایه نانومقیاس CrN / NbN

●   اکسیداسیون مقاوم: CrAlYN / CrN ، نانومواد ، چند لایه،   نانوکامپوزیت Ti-Al-Si-N، Cr-Al-Si-N

●   نوری: Ag، TiO ₂ ، ZnO، InSnO، ZrO ₂ ، CuInGaSe

●   مراحل MAX: TiSiC

●   میکروالکترونیک: Cu، Ti، TiN، Ta، TaN

●   پوششهای سخت: نیترید کربن CN _x

●   هیدروفوبیک: HfO ₂

مزایای

مزایای اصلی پوششهای HIPIMS شامل مورفولوژی پوشش تراکم و نسبت افزایش سختی به مدول یانگ نسبت به پوشش PVD معمولی است. در حالی که پوشش های نانو ساختار یافته (Ti، Al) N، قابل مقایسه با سختی 25 GPa و مدول یانگ 460 GPa، سختی پوشش جدید HIPIMS بالاتر از 30 GPa با مدول یانگ 368 GPa است. نسبت سختی به مدول یانگ، اندازه گیری خواص سختی پوشش است. شرایط مطلوب این است که سختی بالا با یک مدول یانگ نسبتا کوچک، مانند می توان در پوشش HIPIMS یافت. به تازگی، کاربردهای نوآورانه سطوح پوشش داده شده HIPIMS برای کاربردهای بیومدیکال توسط Rtimi و همکاران گزارش شده است.