Pulverización catódica con magnetrón de impulso de alta potencia - High-power impulse magnetron sputtering

La pulverización catódica de magnetrón de impulso de alta potencia (HIPIMS o HiPIMS, también conocida como pulverización catódica de magnetrón pulsado de alta potencia , HPPMS) es un método para la deposición física de vapor de películas delgadas que se basa en la deposición catódica de magnetrón . HIPIMS utiliza densidades de potencia extremadamente altas del orden de kW⋅cm −2 en pulsos cortos (impulsos) de decenas de microsegundos en un ciclo de trabajo bajo (relación de tiempo de encendido / apagado) de <10%. Las características distintivas de HIPIMS son un alto grado de ionización del metal pulverizado y una alta tasa de disociación de gases moleculares que dan como resultado una alta densidad de películas depositadas. El grado de ionización y disociación aumenta según la potencia máxima del cátodo. El límite está determinado por la transición de la descarga de la fase incandescente a la de arco. La potencia máxima y el ciclo de trabajo se seleccionan para mantener una potencia de cátodo promedio similar a la pulverización catódica convencional (1–10 W⋅cm −2 ).

HIPIMS se utiliza para:

  • pretratamiento que mejora la adhesión del sustrato antes de la deposición del revestimiento (grabado del sustrato)
  • deposición de películas delgadas con alta densidad de microestructura

Descarga de plasma HIPIMS

El plasma HIPIMS se genera mediante una descarga luminiscente en la que la densidad de la corriente de descarga puede alcanzar varios A⋅cm −2 , mientras que el voltaje de descarga se mantiene en varios cientos de voltios. La descarga se distribuye homogéneamente a través de la superficie del cátodo (objetivo), sin embargo, por encima de un cierto umbral de densidad de corriente, se concentra en zonas de ionización estrechas que se mueven a lo largo de un camino conocido como "pista de carreras" de erosión objetivo.

HIPIMS genera un plasma de alta densidad del orden de 10 13 iones⋅cm −3 que contiene altas fracciones de iones metálicos objetivo. El principal mecanismo de ionización es el impacto de electrones, que se equilibra mediante el intercambio de carga, la difusión y la eyección de plasma en las llamaradas. Las tasas de ionización dependen de la densidad del plasma.
El grado de ionización del vapor de metal es una función importante de la densidad de corriente máxima de la descarga. A altas densidades de corriente, se pueden generar iones pulverizados con carga 2+ y superior (hasta 5+ para V). La aparición de iones objetivo con estados de carga superiores a 1+ es responsable de un posible proceso de emisión secundaria de electrones que tiene un coeficiente de emisión más alto que la emisión secundaria cinética que se encuentra en las descargas luminosas convencionales. El establecimiento de una posible emisión secundaria de electrones puede mejorar la corriente de descarga.
El HIPIMS generalmente se opera en modo de pulso corto (impulso) con un ciclo de trabajo bajo para evitar el sobrecalentamiento del objetivo y otros componentes del sistema. En cada pulso, la descarga pasa por varias etapas:

  • avería eléctrica
  • plasma de gas
  • plasma de metal
  • estado estacionario, que puede alcanzarse si el plasma metálico es lo suficientemente denso como para dominar eficazmente sobre el plasma gaseoso.

El voltaje negativo (voltaje de polarización) aplicado al sustrato influye en la energía y la dirección del movimiento de las partículas cargadas positivamente que golpean el sustrato. El ciclo de encendido y apagado tiene un período del orden de milisegundos. Debido a que el ciclo de trabajo es pequeño (<10%), el resultado es solo una potencia de cátodo promedio baja (1–10 kW). El objetivo puede enfriarse durante el "tiempo de inactividad", manteniendo así la estabilidad del proceso.

La descarga que mantiene HIPIMS es una descarga luminiscente de alta corriente, que es transitoria o cuasiestacionaria . Cada pulso permanece como un resplandor hasta una duración crítica después del cual pasa a una descarga de arco . Si la longitud del pulso se mantiene por debajo de la duración crítica, la descarga opera de manera estable indefinidamente.

Las observaciones iniciales por imágenes de cámara rápida en 2008 se registraron de forma independiente, se demostraron con mayor precisión y se confirmaron, lo que demuestra que la mayoría de los procesos de ionización ocurren en zonas de ionización espacialmente muy limitadas. La velocidad de arrastre se midió para ser del orden de 10 4 m / s, que es aproximadamente sólo el 10% de la velocidad de deriva de electrones.

Pretratamiento del sustrato por HIPIMS

Se requiere el pretratamiento del sustrato en un entorno de plasma antes de la deposición de películas delgadas sobre componentes mecánicos tales como piezas de automóviles, herramientas de corte de metal y accesorios decorativos. Los sustratos se sumergen en un plasma y se polarizan a un alto voltaje de unos pocos cientos de voltios. Esto provoca un bombardeo de iones de alta energía que dispersa cualquier contaminación. En los casos en que el plasma contiene iones metálicos, se pueden implantar en el sustrato a una profundidad de unos pocos nm. HIPIMS se utiliza para generar un plasma con alta densidad y alta proporción de iones metálicos. Al mirar la interfaz película-sustrato en sección transversal, se puede ver una interfaz limpia. La epitaxia o registro atómico es típico entre el cristal de una película de nitruro y el cristal de un sustrato metálico cuando se usa HIPIMS para el pretratamiento. HIPIMS ha sido utilizado para el pretratamiento de sustratos de acero por primera vez en febrero de 2001 por AP Ehiasarian.

La polarización del sustrato durante el pretratamiento utiliza altos voltajes, que requieren tecnología de supresión y detección de arco diseñada específicamente. Las unidades de polarización de sustrato de CC dedicadas brindan la opción más versátil, ya que maximizan las tasas de grabado del sustrato, minimizan el daño del sustrato y pueden operar en sistemas con múltiples cátodos. Una alternativa es el uso de dos fuentes de alimentación HIPIMS sincronizadas en una configuración maestro-esclavo: una para establecer la descarga y otra para producir una polarización del sustrato pulsada

Deposición de película delgada por HIPIMS

La figura muestra la topografía de la superficie y la estructura del recubrimiento de herramientas HiPIMS FerroCon de CemeCon AG sobre un sustrato de carburo, ampliado con un microscopio electrónico.

Las películas delgadas depositadas por HIPIMS a una densidad de corriente de descarga> 0,5 A⋅cm −2 tienen una estructura columnar densa sin huecos.
La deposición de películas de cobre por HIPIMS fue reportada por primera vez por V. Kouznetsov para la aplicación de vías de relleno de 1 µm con una relación de aspecto de 1: 1.2.

Las películas delgadas de nitruro de metal de transición (CrN) fueron depositadas por HIPIMS por primera vez en febrero de 2001 por AP Ehiasarian. La primera investigación exhaustiva de las películas depositadas por HIPIMS por TEM demostró una microestructura densa, libre de defectos a gran escala. Las películas tenían una alta dureza , buena resistencia a la corrosión y bajo coeficiente de desgaste por deslizamiento . La comercialización de hardware HIPIMS que siguió hizo que la tecnología fuera accesible para la comunidad científica en general y desencadenó desarrollos en varias áreas.

HiPIMS reactivos

De manera similar a lo que se observa en el proceso de deposición de pulverización catódica reactiva convencional , HiPIMS también se ha utilizado para obtener películas a base de óxido o nitruro en varios sustratos, como se ve en la lista a continuación. Sin embargo, como es característico de estos métodos, el rendimiento de tales deposiciones tiene una histéresis significativa y debe examinarse cuidadosamente para inspeccionar los puntos de operación óptimos. A. Anders y Kubart et al., Publicaron descripciones importantes de las HiPIMS reactivas.

Ejemplos de deposición

Los siguientes materiales, entre otros, han sido depositados con éxito por HIPIMS:

Aplicación industrial

HIPIMS se ha aplicado con éxito para la deposición de películas delgadas en la industria, particularmente en herramientas de corte. Las primeras unidades de recubrimiento HIPIMS aparecieron en el mercado en 2006.

La versión dorada del Apple iPhone 12 Pro utiliza este proceso en la banda de acero inoxidable estructural que también sirve como sistema de antena del dispositivo.

Ventajas

Las principales ventajas de los recubrimientos HIPIMS incluyen una morfología de recubrimiento más densa y una mayor relación entre la dureza y el módulo de Young en comparación con los recubrimientos PVD convencionales. Mientras que los recubrimientos nanoestructurados convencionales (Ti, Al) N comparables tienen una dureza de 25 GPa y un módulo de Young de 460 GPa, la dureza del nuevo recubrimiento HIPIMS es superior a 30 GPa con un módulo de Young de 368 GPa. La relación entre dureza y módulo de Young es una medida de las propiedades de tenacidad del recubrimiento. La condición deseable es alta dureza con un módulo de Young relativamente pequeño, como se puede encontrar en los recubrimientos HIPIMS. Recientemente, Rtimi et al informaron sobre aplicaciones innovadoras de superficies recubiertas de HIPIMS para aplicaciones biomédicas.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos