Xung điện cao xung Magnetron Sputtering

Công nghệ phún xạ magnetron xung điện cao (HIPIMS hoặc HiPIMS, còn được gọi là phún xạ magnetron xung mạnh, HPPMS) là một phương pháp để lắng đọng hơi vật chất của các màng mỏng dựa trên sự lắng đọng của magnetron. HIPIMS sử dụng mật độ công suất cực cao theo thứ tự của kW ∙ cm ^-2 trong xung ngắn (xung) của hàng chục giây mỗi giây ở chu kỳ hoạt động thấp (thời gian bật / tắt thời gian) <> Các đặc điểm phân biệt của HIPIMS là sự ion hóa ở mức độ cao của kim loại đùn và tỷ lệ phân tách khí phân tử cao, dẫn đến mật độ cao của các màng lắng đọng. Mức độ ion hóa và phân ly gia tăng theo công suất cực đại của cực âm. Giới hạn được xác định bằng sự chuyển đổi của sự xả từ ánh sáng sang giai đoạn hồ quang. Công suất đỉnh và chu kỳ nhiệm vụ được lựa chọn để duy trì công suất catốt trung bình tương tự như sự thổi phồng thông thường (1-10 W ∙ cm ^-2 ).

HIPIMS được sử dụng cho:

●   tăng cường độ bám dính của bề mặt trước khi phủ lớp phủ (chất nền khắc)

●   sự lắng đọng của màng mỏng có mật độ cấu trúc vi mô cao

HIPIMS xả huyết tương

HIPIMS plasma được tạo ra bởi một dòng điện phát ra có mật độ dòng chảy xả có thể đạt tới A ∙ cm ^-2 , trong khi điện áp xả được duy trì ở vài trăm volt. Tuyến xả được phân bố đồng nhất trên bề mặt catốt (đích), tuy nhiên ở trên một ngưỡng nhất định mật độ hiện tại, nó sẽ tập trung trong các vùng ion hóa hẹp di chuyển dọc theo con đường được gọi là "đường đua".

HIPIMS tạo ra một plasma mật độ cao theo thứ tự 1013 ions cm ^-3 chứa các phân số cao của các ion kim loại đích. Cơ chế ionisation chính là tác động của electron, được cân bằng bằng trao đổi điện, sự khuếch tán, và phun tia plasma trong các tia lửa. Tỷ lệ ion hóa phụ thuộc vào mật độ plasma.

Mức độ ion hóa của hơi kim loại là một chức năng mạnh mẽ của mật độ dòng cao điểm của việc xả. Tại mật độ dòng điện cao, các ion phát tán có điện tích từ 2+ trở lên - lên đến 5+ đối với V - có thể được tạo ra. Sự xuất hiện của các ion mục tiêu với các trạng thái điện tích trên 1+ chịu trách nhiệm cho một quá trình phát xạ điện tử thứ phát tiềm ẩn có hệ số phát thải cao hơn so với phát xạ thứ phát động học được phát hiện trong các lần xả sáng bình thường. Việc thiết lập một phát xạ điện tử thứ phát tiềm năng có thể làm tăng hiện tại của sự phóng điện.

HIPIMS thường hoạt động ở chế độ xung ngắn (xung) với chu kỳ hoạt động thấp để tránh quá nóng đối với các mục tiêu và các thành phần hệ thống khác. Trong mỗi xung xả đi qua nhiều giai đoạn:

●   sự cố điện

●   plasma khí

●   plasma kim loại

●   trạng thái ổn định, có thể đạt được nếu plasma kim loại dày đặc đủ để chiếm ưu thế trên plasma khí.

Điện áp âm (điện áp lệch) áp dụng cho bề mặt ảnh hưởng đến năng lượng và hướng chuyển động của các hạt tích điện dương tính vào chất nền. Chu kỳ khởi động có một khoảng thời gian theo thứ tự của mili giây. Do chu kỳ hoạt động nhỏ (<10%) nên="" chỉ="" có="" công="" suất="" catốt="" trung="" bình="" thấp="" là="" 1-10=""> Mục tiêu có thể làm mát trong thời gian "tắt", do đó duy trì ổn định quá trình.

Việc xả mà duy trì HIPIMS là một dòng điện phóng xạ cao hiện tại, là thoáng qua hoặc quasistationary. Mỗi xung vẫn là một ánh sáng rực lên đến một khoảng thời gian quan trọng sau đó nó đi qua một xả cung hồ quang. Nếu độ dài xung được giữ dưới ngưỡng trọng lượng, việc xả hoạt động trong một thời gian ổn định vô thời hạn.

Các quan sát ban đầu bằng hình ảnh chụp nhanh trong năm 2008 được ghi nhận độc lập, được chứng minh với độ chính xác cao hơn, và khẳng định rằng hầu hết các quá trình ion hóa đều xảy ra trong các vùng ion hóa không gian rất hạn chế. Vận tốc trôi dạt được đo theo thứ tự 104 m / s, chỉ bằng khoảng 10% vận tốc trôi pha electron.

Nối trước tiền xử lý bởi HIPIMS

Trước khi lắng đọng các màng mỏng trên các bộ phận cơ khí như bộ phận ô tô, dụng cụ cắt kim loại và các phụ kiện trang trí, trước khi đổ màng mỏng lên bề mặt plasma, cần phải gia công trước. Các chất nền được nhúng trong một plasma và thiên vị với một điện áp cao của một vài trăm volts. Điều này gây ra việc bắn phá ion năng lượng cao, làm bốc hơi mọi thứ ô nhiễm. Trong trường hợp plasma có chứa ion kim loại, chúng có thể được cấy vào bề mặt đến độ sâu vài nm. HIPIMS được sử dụng để tạo ra một plasma với mật độ cao và tỷ lệ cao của các ion kim loại. Khi nhìn vào bề mặt lớp chất nền ở mặt cắt ngang, người ta có thể nhìn thấy một giao diện sạch sẽ. Epitaxy hoặc đăng ký nguyên tử là điển hình giữa tinh thể của một màng nitride và tinh thể của chất nền kim loại khi HIPIMS được sử dụng để xử lý trước. HIPIMS đã được sử dụng cho tiền xử lý chất nền thép lần đầu tiên vào tháng 2 năm 2001 bởi AP Ehiasarian.

Xúc tác bề mặt trong quá trình xử lý tiền sử sử dụng điện áp cao, đòi hỏi công nghệ dò và triệt tiêu hồ quang thiết kế. Các đơn vị bi đát nền DC chuyên dụng cung cấp tùy chọn linh hoạt nhất vì chúng tối đa hóa tốc độ đánh dấu chất nền, giảm thiểu thiệt hại về chất nền, và có thể hoạt động trong các hệ thống có nhiều cathode. Thay thế là việc sử dụng hai nguồn điện HIPIMS được đồng bộ hóa trong cấu hình nô lệ-nô lệ: một thiết lập hệ thống xả và một để tạo ra sự thiên vị xung.

Sự lắng đọng film mỏng bởi HIPIMS

Màng mỏng bám bởi HIPIMS ở mật độ dòng chảy xả> 0.5 A · cm ^-2 có cấu trúc cột dày đặc và không có lỗ rỗng. Sự lắng đọng màng đồng của HIPIMS đã được báo cáo lần đầu tiên bởi V. Kouznetsov để áp dụng cho việc điền vào 1 μm Vias với tỉ lệ 1: 1,2

Các màng mỏng chuyển tiếp bằng kim loại nitrit (CrN) đã được HIPIMS gửi lần đầu tiên vào tháng 2 năm 2001 bởi AP Ehiasarian. Cuộc điều tra kỹ lưỡng đầu tiên của các bộ phim do HIPIMS gửi bằng TEM đã mô tả cấu trúc vi mô dày đặc, không có khiếm khuyết quy mô lớn. Các bộ phim có độ cứng cao, chống ăn mòn tốt và hệ số mòn trượt thấp. Việc thương mại hóa phần cứng HIPIMS tiếp theo làm cho công nghệ này có thể tiếp cận được với cộng đồng khoa học rộng lớn hơn và kích hoạt sự phát triển ở một số lĩnh vực.

Các tài liệu sau đây đã được gửi bằng thành công bởi HIPIMS:

●   Chống ăn mòn: CrN / NbN nano đa lớp

●   Độ chống oxy hóa: CrAlYN / CrN , nano , đa lớp,   Ti-Al-Si-N, vật liệu nano nanô Cr-Al-Si-N

●   Quang học: Ag, TiO ₂ , ZnO, InSnO, ZrO ₂ , CuInGaSe

●   Giai đoạn MAX: TiSiC

●   Vi điện tử học: Cu, Ti, TiN, Ta, TaN

●   Lớp phủ cứng: carbon nitride CN _x

●   Hydrophobic: HfO ₂

Ưu điểm

Ưu điểm chính của lớp phủ HIPIMS bao gồm hình thái lớp phủ dày hơn và tỷ lệ cứng lên đến mô đun của Young so với lớp phủ PVD thông thường. Trong khi đó các lớp phủ thông thường có cấu trúc nano (Ti, Al) N có độ cứng 25 GPa và mô đun của Young là 460 GPa, độ cứng của lớp phủ HIPIMS mới cao hơn 30 GPa với mô đun của Young là 368 GPa. Tỷ lệ giữa độ cứng và mô đun Young là một thước đo tính chất dẻo dai của lớp phủ. Điều kiện mong muốn là độ cứng cao với mô đun Young Young tương đối nhỏ, chẳng hạn như có thể tìm thấy trong lớp phủ HIPIMS. Gần đây, các ứng dụng sáng tạo của bề mặt tráng HIPIMS cho các ứng dụng y sinh học được báo cáo bởi Rtimi et al.