Impuls magnetyczny o dużej mocy

Impulsowe rozpylanie magnetronowe o dużej mocy (HIPIMS lub HiPIMS, znane również jako rozpylanie magnetronowe o dużej mocy, HPPMS) to metoda fizycznego osadzania par cienkich warstw, która opiera się na napylaniu magnetronowym przez rozpylanie jonowe. HIPIMS wykorzystuje wyjątkowo wysoką gęstość mocy rzędu kW ∙ cm ^-2 w krótkich impulsach (impulsach) rzędu dziesiątek mikrosekund przy niskim cyklu pracy (czas włączenia / wyłączenia) <> Cechami wyróżniającymi HIPIMS są wysoki stopień jonizacji rozpylanego metalu i duża szybkość dysocjacji cząsteczkowego gazu, co powoduje wysoką gęstość osadzonych filmów. Stopień jonizacji i dysocjacji wzrasta zgodnie z mocą szczytowej katody. Granica jest określona przez przejście fazy wyładowania z fazy poświaty do fazy łuku. Moc szczytowa i cykl roboczy dobiera się tak, aby utrzymać średnią moc katody podobną do tradycyjnego rozpylania (1-10 W ∙ cm ^-2 ).

HIPIMS służy do:

●   polepszanie adhezji wstępnej obróbki podłoża przed nałożeniem powłoki (trawienie podłoża)

●   odkładanie cienkich warstw o ​​wysokiej gęstości mikrostruktury

Wyładowanie plazmowe HIPIMS

Plazma HIPIMS jest generowana przez wyładowanie jarzeniowe, w którym gęstość prądu rozładowania może osiągać kilka A ∙ cm ^-2 , podczas gdy napięcie rozładowania jest utrzymywane na poziomie kilkuset woltów. Wyładowanie jest równomiernie rozłożone na powierzchni katody (tarczy), jednak powyżej pewnego progu gęstości prądu skupia się w wąskich strefach jonizacji, które poruszają się wzdłuż ścieżki znanej jako erozja celu "tor wyścigowy".

HIPIMS wytwarza osocze o wysokiej gęstości rzędu 1013 jonów ∙ cm ^-3 zawierające wysokie frakcje docelowych jonów metali. Głównym mechanizmem jonizacji jest uderzenie elektronu, które jest równoważone przez wymianę ładunku, dyfuzję i wyrzucanie plazmy w racach. Szybkości jonizacji zależą od gęstości plazmy.

Stopień jonizacji oparów metalu jest silną funkcją szczytowej gęstości prądu wyładowania. Przy dużych gęstościach prądu można generować napylone jony o ładunku 2+ i wyższym - do 5+ dla V -. Pojawienie się docelowych jonów o stanach naładowania wyższych niż 1+ odpowiada za potencjalny proces emisji wtórnego elektronu, który ma wyższy współczynnik emisji niż kinetyczna wtórna emisja występująca w konwencjonalnych wyładowaniach jarzeniowych. Ustanowienie potencjalnej emisji elektronów wtórnych może wzmocnić prąd wyładowania.

HIPIMS jest zwykle obsługiwany w trybie krótkiego impulsu (impulsu) z niskim cyklem pracy, aby uniknąć przegrzania celu i innych elementów systemu. W każdym impulsie rozładowanie przechodzi przez kilka etapów:

●   awaria elektryczna

●   osocze gazowe

●   metalowa plazma

●   stan ustalony, który może zostać osiągnięty, jeśli osocze metaliczne jest wystarczająco gęste, aby skutecznie dominować nad plazmą gazową.

Napięcie ujemne (napięcie polaryzacji) przykładane do podłoża wpływa na energię i kierunek ruchu dodatnio naładowanych cząstek, które uderzają w podłoże. Cykl włączania i wyłączania ma okres rzędu milisekund. Ponieważ cykl roboczy jest mały (<10%), wynikiem="" jest="" tylko="" mała="" średnia="" moc="" katody="" (1-10=""> Cel może ostygnąć podczas "czasu wyłączenia", utrzymując w ten sposób stabilność procesu.

Wyładowanie utrzymujące HIPIMS jest wyładowaniem jarzeniowym o dużym natężeniu, które jest przejściowe lub quasistacyjne. Każdy impuls pozostaje blaskiem do krytycznego czasu, po którym przechodzi do wyładowania łukowego. Jeśli długość impulsu jest utrzymywana poniżej wartości krytycznej, wyładowanie działa stabilnie w nieskończoność.

Początkowe obserwacje za pomocą szybkiego obrazu z kamery w 2008 r. Rejestrowano niezależnie, wykazano z większą dokładnością i potwierdzono, że większość procesów jonizacji zachodzi w bardzo ograniczonych przestrzennie strefach jonizacji. Prędkość dryfu została zmierzona na poziomie 104 m / s, co stanowi około 10% prędkości dryfu elektronu.

Wstępne przygotowanie podłoża przez HIPIMS

Przed nałożeniem cienkich warstw na elementy mechaniczne, takie jak części samochodowe, narzędzia do cięcia metalu i elementy ozdobne, wymagane jest wstępne przygotowanie podłoża w środowisku plazmowym. Substraty są zanurzone w plazmie i obciążone wysokim napięciem kilkuset woltów. Powoduje to bombardowanie jonami wysokoenergetycznymi, które przelewa wszelkie zanieczyszczenia. W przypadkach, gdy osocze zawiera jony metali, można je wszczepić do podłoża na głębokość kilku nm. HIPIMS służy do generowania plazmy o wysokiej gęstości i dużej zawartości jonów metali. Patrząc na interfejs film-substrat w przekroju, widać czysty interfejs. Epitaksja lub rejestr atomowy są typowe między kryształem filmu azotkowego i kryształem metalowego podłoża, gdy HIPIMS stosuje się do wstępnej obróbki. HIPIMS został zastosowany do wstępnej obróbki podłoży stalowych po raz pierwszy w lutym 2001 r. Przez AP Ehiasarian.

W trakcie wstępnej obróbki odchylenie od podłoża wykorzystuje wysokie napięcia, które wymagają specjalnie zaprojektowanej technologii wykrywania i tłumienia łuku. Dedykowane jednostki odchylające substrat DC stanowią najbardziej uniwersalną opcję, ponieważ maksymalizują szybkości trawienia substratu, minimalizują uszkodzenia podłoża i mogą działać w systemach z wieloma katodami. Alternatywą jest użycie dwóch zasilaczy HIPIMS zsynchronizowanych w konfiguracji master-slave: jeden do ustalenia rozładowania i drugi do wytworzenia pulsacyjnego odchylenia substratu.

Odkładanie cienkowarstwowe przez HIPIMS

Cienkie warstwy osadzone przez HIPIMS przy gęstości prądu rozładowania> 0,5 A · cm ^-2 mają gęstą strukturę słupkową bez pustych przestrzeni. Odkładanie folii miedzianej przez HIPIMS po raz pierwszy zgłaszał V. Kouznetsov do stosowania wypełniaczy 1 μm o współczynniku kształtu 1: 1,2

Cienkie warstwy z azotku metalu przejściowego (CrN) zostały zdeponowane przez HIPIMS po raz pierwszy w lutym 2001 r. Przez AP Ehiasarian. Pierwsze dokładne badanie filmów zdeponowanych przez HIPIMS przez TEMdemonstrowało gęstą mikrostrukturę, wolną od wad o dużej skali. Folie miały wysoką twardość, dobrą odporność na korozję i niski współczynnik zużycia ślizgowego. Komercjalizacja sprzętu HIPIMS, który nastąpił, umożliwiła dostęp do tej technologii szerszemu środowisku naukowemu i spowodowała rozwój w wielu obszarach.

Następujące materiały zostały między innymi zdeponowane pomyślnie przez HIPIMS:

●   Odporność na korozję: wielowarstwowe nanometry CrN / NbN

●   Odporność na utlenianie: CrAlyn / CrN , nanoskalowa , wielowarstwowa,   Ti-Al-Si-N, nanokompozyt Cr-Al-Si-N

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

●   Fazy ​​MAX: TiSiC

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

●   Twarde powłoki: azotek węgla CN _x

●   Hydrofobowe: HfO ₂

Zalety

Główne zalety powłok HIPIMS obejmują gęstszą morfologię powłoki i zwiększony stosunek twardości do modułu Younga w porównaniu do konwencjonalnych powłok PVD. Podczas gdy porównywalne powłoki nanostrukturalne (Ti, Al) N mają twardość 25 GPa i moduł Younga 460 GPa, twardość nowej powłoki HIPIMS jest wyższa niż 30 GPa przy module Younga 368 GPa. Stosunek twardości do modułu Younga jest miarą twardości powłoki. Pożądanym warunkiem jest duża twardość ze stosunkowo małym modułem Younga, takim jak można znaleźć w powłokach HIPIMS. Ostatnio, Rtimi i wsp. Opisali innowacyjne zastosowania powierzchni pokrytych HIPIMS do zastosowań biomedycznych.