แรงดันสูง Impulse Magnetron Sputtering
Dec 20, 2017| แรงดันไฟฟ้าสูง magnetron sputtering (HIPIMS หรือ HiPIMS หรือที่รู้จักกันในอีกชื่อหนึ่งว่า EPPMS) เป็นวิธีการสำหรับการสะสมไอของฟิล์มบาง ๆ ที่อิงกับการสะสมตัวของสตรูตเตอร์ magnetron HIPIMS ใช้ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงมากตามลำดับของ kW ∙ซม. -2 ในการเต้นของชีพจรสั้น ๆ (impulses) ของไมโครวินาทีที่รอบการทำงานต่ำ (อัตราส่วนเวลาเปิด / ปิด) <> คุณสมบัติเด่นของ HIPIMS คือการทำให้เกิดไอออไนซ์ของโลหะที่เจือปนและอัตราการแตกตัวของก๊าซโมเลกุลสูงซึ่งจะส่งผลต่อความหนาแน่นของฟิล์มที่สะสมสูง ระดับไอออไนซ์และการแยกออกซิเจนเพิ่มขึ้นตามค่าพลังขั้วแคโทดสูงสุด ขีด จำกัด จะถูกกำหนดโดยการเปลี่ยนการปลดปล่อยจากการเรืองแสงเป็นระยะอาร์ก พลังงานสูงสุดและรอบหน้าที่ได้รับการคัดเลือกเพื่อรักษาระดับพลังงานแคโทดโดยเฉลี่ยที่ใกล้เคียงกับการสปัตเตอร์ทั่วไป (1-10 W ∙ซม. -2 )
HIPIMS ใช้สำหรับ:
● การยึดเกาะของพื้นผิวก่อนการเคลือบผิว (การกัดพื้นผิวของวัสดุ)
● การสะสมของฟิล์มบางที่มีความหนาแน่นของโครงสร้างจุลภาคสูง
HIPIMS พลาสมาออก
พลาสม่า HIPIMS ถูกสร้างขึ้นโดยการปล่อยประจุไฟฟ้าที่ความหนาแน่นของกระแสจำหน่ายสามารถไปถึง A ∙ซม. -2 ในขณะที่แรงดันประจุจะถูกเก็บไว้ที่หลายร้อยโวลต์ ปล่อยให้กระจายทั่วพื้นผิวของขั้วลบ (เป้าหมาย) อย่างไรก็ตามเหนือขีด จำกัด ของความหนาแน่นปัจจุบันจะกลายเป็นเข้มข้นในโซนไอออไนซ์ที่แคบซึ่งเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางที่เรียกว่า "การแข่งขัน" การพังทลาย
HIPIMS สร้างพลาสมาความหนาแน่นสูงตามลำดับ 1013 ไอออนเซนติเมตร -3 ที่มีไอออนโลหะเป้าหมายสูง กลไกการทำให้เกิดไอออนไนซ์หลักคือผลกระทบของอิเล็กตรอนซึ่งมีความสมดุลโดยการแลกเปลี่ยนประจุการแพร่กระจายและการพ่นพลาสม่าในเปลวไฟ อัตราไอออนไนซ์ขึ้นกับความหนาแน่นของพลาสมา
ระดับอิออนไอออนของไอโลหะเป็นสมบัติที่ดีของความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าสูงสุดของการปลดปล่อย ที่ความหนาแน่นสูงในปัจจุบันมีไอออนที่ปนเปื้อนด้วยประจุ 2+ และสูงกว่า - สามารถสร้างได้ถึง 5+ สำหรับ V - การปรากฏตัวของไอออนเป้าหมายที่มีสถานะการชาร์จสูงกว่า 1+ มีหน้าที่ในการปล่อยก๊าซอิเล็กตรอนในระดับมัธยมศึกษาที่มีศักยภาพซึ่งมีค่าสัมประสิทธิ์การปล่อยก๊าซสูงกว่าการแผ่รังสีจลนศาสตร์ที่เกิดจากการปล่อยประจุไฟฟ้าแบบเดิม การสร้างการปลดปล่อยอิเล็กตรอนในระดับมัธยมศึกษาอาจช่วยเพิ่มกระแสของการปลดปล่อย
HIPIMS ดำเนินการโดยปกติในโหมดชีพจรสั้น (อิมพัลส์) ที่มีรอบการทำงานที่ต่ำเพื่อหลีกเลี่ยงความร้อนสูงเกินไปของเป้าหมายและส่วนประกอบของระบบอื่น ๆ ในชีพจรทุกปล่อยออกไปผ่านหลายขั้นตอน:
● การสลายไฟฟ้า
● พลาสมาแก๊ส
● พลาสมาโลหะ
● ซึ่งอาจถึงได้หากพลาสมาโลหะมีความหนาแน่นเพียงพอที่จะมีอิทธิพลเหนือพลาสมาก๊าซได้อย่างมีประสิทธิภาพ
แรงดันไฟฟ้าเชิงลบ (แรงดันไฟฟ้าอคติ) ที่ใช้กับพื้นผิวจะมีอิทธิพลต่อพลังงานและทิศทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวกซึ่งกระทบพื้นผิว รอบการเปิดใช้งานมีระยะเวลาตามลำดับของมิลลิวินาที เนื่องจากวงจรการทำงานมีขนาดเล็ก (<10%) มีเพียงแคโทดที่มีค่าเฉลี่ยต่ำเท่านั้น="" (1-10=""> เป้าหมายสามารถเย็นลงในระหว่าง "เวลาปิด" ซึ่งจะช่วยรักษาเสถียรภาพของกระบวนการ
การปลดปล่อยที่ถือครอง HIPIMS คือการปล่อยประจุเรืองแสงในเวลาสูงซึ่งเป็นเรื่องชั่วคราวหรือ quasistationary ชีพจรแต่ละครั้งยังคงเป็นเรืองแสงขึ้นไประยะเวลาที่สำคัญหลังจากที่มันผ่านไปปล่อยโค้ง ถ้าความยาวพัลส์อยู่ต่ำกว่าค่าวิกฤตการปลดปล่อยจะทำงานได้อย่างมั่นคงตลอดเวลา
การสังเกตการณ์ครั้งแรกโดยการถ่ายภาพด้วยกล้องถ่ายรูปที่รวดเร็วในปีพ. ศ. 2551 ได้รับการบันทึกอย่างเป็นอิสระแสดงให้เห็นได้อย่างแม่นยำมากขึ้นและได้รับการยืนยันว่ากระบวนการเกิดไอออไนซ์เกิดขึ้นในโซนไอออไนซ์เชิงพื้นที่ที่ จำกัด มาก ความเร็วของล่องลอยวัดได้ประมาณ 104 m / s ซึ่งเป็นเพียงประมาณ 10% ของความเร็วของการไหลของอิเล็กตรอน
การปรับสภาพพื้นผิวโดย HIPIMS
ก่อนที่จะมีการสะสมของฟิล์มบาง ๆ บนชิ้นส่วนเชิงกลเช่นชิ้นส่วนยานยนต์เครื่องมือตัดโลหะและอุปกรณ์ตกแต่ง พื้นผิวจะถูกแช่อยู่ในพลาสม่าและลำเอียงไปยังแรงดันสูงของไม่กี่ร้อยโวลต์ นี่เป็นสาเหตุการทิ้งไอออนพลังงานไอออนบวกที่ช่วยขจัดสิ่งสกปรกออกไป ในกรณีที่พลาสม่ามีไอออนโลหะพวกเขาสามารถปลูกฝังเข้าไปในพื้นผิวได้ลึกไม่กี่นาโนเมตร HIPIMS ใช้เพื่อสร้างพลาสม่าที่มีความหนาแน่นสูงและมีสัดส่วนไอออนโลหะสูง เมื่อมองไปที่อินเทอร์เฟซฟิล์มรองพื้นในส่วนตัดขวางคุณจะเห็นส่วนติดต่อที่สะอาด รีจิสทรีของ Epitaxy หรืออะตอมเป็นแบบฉบับของคริสตัลของฟิล์มไนไตรด์และคริสตัลของพื้นผิวโลหะเมื่อ HIPIMS ใช้สำหรับการปรับสภาพ HIPIMS ได้รับการใช้สำหรับการเตรียมพื้นผิวเหล็กเป็นครั้งแรกในเดือนกุมภาพันธ์ 2544 โดย AP Ehiasarian
แรงเสียดทานของพื้นผิวระหว่างการปรับสภาพผิวใช้แรงดันไฟฟ้าสูงซึ่งต้องใช้เทคโนโลยีการตรวจจับและปราบปรามอาร์คที่ออกแบบตามวัตถุประสงค์ หน่วยลำเลียงแบบ DC substrate แบบเฉพาะเจาะจงให้เป็นทางเลือกที่หลากหลายที่สุดเนื่องจากเพิ่มอัตราการกัดของสารตั้งต้นลดความเสียหายของพื้นผิวและสามารถทำงานได้ในระบบที่มีแคโทดหลายแบบ อีกทางเลือกหนึ่งคือการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้า HIPIMS สองชุดที่ซิงโครไนซ์กับการกำหนดค่าหลัก - ทาส: หนึ่งเพื่อสร้างการปลดปล่อยและหนึ่งในการผลิตอคติพัลซิ่งอ็อปเอาท์
การสะสมทินเนอร์โดย HIPIMS
ฟิล์มบางที่ฝากโดย HIPIMS ที่ความหนาแน่นกระแสจำหน่าย> 0.5 A · cm -2 มีโครงสร้างโพรงหนาแน่นและไม่มีรูพรุน การสะสมของฟิล์มทองแดงโดย HIPIMS ได้รับการรายงานเป็นครั้งแรกโดย V. Kouznetsov สำหรับการประยุกต์ใช้การกรอกข้อมูล 1 μm VIAS ที่มีอัตราส่วนเป็น 1: 1.2
แผ่นฟิล์มบางชนิดที่ผ่านการเปลี่ยนรูปไนไตรด์ (CrN) ถูกนำมาฝากโดย HIPIMS เป็นครั้งแรกในเดือนกุมภาพันธ์ 2544 โดย AP Ehiasarian การตรวจสอบฟิล์มที่ฝากโดย HIPIMS ครั้งแรกโดยใช้ TEMdemonstrated microstructure หนาแน่นไม่มีข้อผิดพลาดในขนาดใหญ่ ฟิล์มมีความแข็งสูงทนต่อการกัดกร่อนได้ดีและมีค่าสัมประสิทธิ์การสึกหรอต่ำ การค้าผลิตภัณฑ์ฮาร์ดแวร์ HIPIMS ที่ตามมาทำให้เทคโนโลยีสามารถเข้าถึงชุมชนวิทยาศาสตร์ได้กว้างขึ้นและทำให้เกิดการพัฒนาในหลายด้าน
วัสดุต่อไปนี้ได้รับการฝากโดย HIPIMS เรียบร้อยแล้ว:
● ทนต่อการกัดกร่อน: หลายชั้นนาโนของ CrN / NbN
● ทนต่อการออกซิเดชั่น: CrNYN / CrN , nanoscale , multilayer, Ti-Al-Si-N, nanocomposite Cr-Al-Si-N
● ออปติคัล: แอ็ก, ไทเทเนียม 2 , ZnO, InSnO, ZrO 2 , CuInGaSe
● MAX ขั้นตอน: TiSiC
● Microelectronics: Cu, Ti, TiN, Ta, TaN
● Hard Coatings: ไนตรัสคาร์บอน CN x
● Hydrophobic: HfO 2
ข้อดี
ข้อดีหลักของการเคลือบ HIPIMS ประกอบด้วยสัณฐานวิทยาเคลือบหนาแน่นและอัตราส่วนความแข็งที่เพิ่มขึ้นกับโมดูลัสของ Young เมื่อเทียบกับวัสดุเคลือบ PVD แบบเดิม ในขณะที่โครงสร้างแบบนาโนที่มีโครงสร้าง (Ti, Al) N มีความแข็ง 25 GPa และโมดูลัสของ Young ที่ 460 GPa ความแข็งของเคลือบ HIPIMS ใหม่สูงกว่า 30 GPa และมีค่าโมดูลัส Young เท่ากับ 368 GPa อัตราส่วนระหว่างความแข็งและค่าโมดูลัสของ Young คือการวัดความเหนียวของผิวเคลือบ สภาพที่พึงประสงค์คือความแข็งสูงและมีโมดูลัส Young's Young ค่อนข้างเล็กเช่นสามารถพบได้ในสารเคลือบผิว HIPIMS เมื่อเร็ว ๆ นี้การประยุกต์ใช้นวัตกรรมของพื้นผิวเคลือบ HIPIMS สำหรับการใช้งานทางการแพทย์ได้รายงานโดย Rtimi et al