Lieljaudas impulsu magnetronu izstarošana

Lieljaudas impulsu magnetronu izsmidzināšana (HIPIMS vai HiPIMS, pazīstams arī kā lieljaudas impulsu magnetronu izsmidzināšana, HPPMS) ir metode tvaika plūsmu pārklāšanai uz tvaiku, kuras pamatā ir magnētiskās iztvaikošanas nogulsnēšanās. HIPIMS izmanto ārkārtīgi augstas jaudas blīvumu ar kvadrātmetru kW ∙ cm ^-2 īsos impulsos (desmitiem mikrosekundēs impulsos) ar zemu darba ciklu (ieslēgšanās / izslēgšanas laika koeficients) <> HIPIMS atšķirīgās īpašības ir augsts iztvaikotā metāla jonizācijas pakāpe un augsta molekulāro gāzu disociācijas pakāpe, kas izraisa noglabātu filmu lielu blīvumu. Jonizācijas un disociācijas pakāpes palielinājums atbilstoši maksimālajai katoda jaudai. Robežvērtību nosaka izplūdes pāreja no svelmes līdz loka fāzei. Maksimālā jauda un darba cikls tiek izvēlēti tādā veidā, lai saglabātu vidējo katoda jaudu, kas ir līdzīga tradicionālajām izsmidzinājumiem (1-10 W ∙ cm ^-2 ).

HIPIMS tiek izmantots:

●   saķeres uzlabošanas substrāta pirmapstrāde pirms pārklājuma uzklāšanas (substrāta kodināšana)

●   plānu plēvju uzklāšana ar augstu mikrostruktūras blīvumu

HIPIMS plazmas izdalījumi

HIPIMS plazmu ģenerē svelme izlāde, kur izlādes strāvas blīvums var sasniegt vairākus A ∙ cm ^-2 , savukārt izlādes spriegums tiek uzturēts vairākos simtos voltos. Izlāde vienmērīgi tiek sadalīta katoda (mērķa) virsmā, bet pārsniedz noteiktu strāvas blīvuma slieksni, kas koncentrējas šaurās jonizācijas zonās, kas pārvietojas pa ceļu, kas pazīstams kā mērķa erozijas "skrituļslidošana".

HIPIMS ģenerē augsta blīvuma plazmu ar 1013 ioniem ∙ cm ^{-3, kas} satur lielas mērķa metāla jonu daļas. Galvenais jonizācijas mehānisms ir elektronu trieciens, kas tiek līdzsvarots ar lādēšanas maiņu, difūziju un plazmas izdalīšanu uzliesmojumos. Jonizācijas ātrums ir atkarīgs no plazmas blīvuma.

Metāla tvaika jonizācijas pakāpe ir spēcīga izplūdes strāvas blīvuma funkcija. Augsta strāvas blīvuma gadījumā var ģenerēt putekļainos jonus ar maksu 2+ un augstāku - līdz 5+ V -. Mērķa jonu izskats ar uzlādēšanas stāvokli, kas ir lielāks par 1+, ir atbildīgs par iespējamu sekundāro elektronu emisijas procesu, kuram ir lielāks emisijas koeficients nekā kinētiskā sekundārā emisija, kas konstatēta parastajās siltuma izplūstēs. Iespējamās sekundāro elektronu emisijas noteikšana var uzlabot izplūdes strāvu.

HIPIMS parasti darbojas īsā impulsa (impulsa) režīmā ar zemu darbmūža ciklu, lai izvairītos no mērķa un citu sistēmas sastāvdaļu pārkaršanas. Katrā impulsā izmešana notiek vairākos posmos:

●   elektriskais sadalījums

●   gāzes plazma

●   metāla plazma

●   kas var sasniegt, ja metāla plazma ir pietiekami blīva, lai efektīvi dominētu gāzes plazmā.

Neitrālais spriegums (slīpo spriegums), kas tiek piemērots pamatnei, ietekmē pozitīvi uzlādētu daļiņu iedarbību enerģiju un virzienu uz pamatnes. Ieslēgtajam ciklam ir laikposms pēc milisekundēm. Tā kā darba cikls ir neliels (<10%), rezultāts="" ir="" tikai="" zems="" vidējais="" katoda="" jauda="" (1-10=""> Mērķis var atdziest "izslēgšanās laikā", tādējādi saglabājot procesa stabilitāti.

Izlāde, kas uztur HIPIMS, ir augsts strāvas spuldzes izlāde, kas ir īslaicīga vai kvazistacionāra. Katrs impulss paliek svelme līdz kritiskajam ilgumam, pēc kura tas pāriet uz loka izlādi. Ja impulsa ilgums tiek turēts zem kritiskā stāvokļa, izlāde darbojas stabilā veidā uz nenoteiktu laiku.

Sākotnējie novērojumi ar ātru fotokameru ar fotokameru 2008. gadā tika ierakstīti neatkarīgi, to demonstrēja ar labāku precizitāti un apstiprināja, ka ir pierādīts, ka lielākā daļa jonizācijas procesu notiek telpiski ļoti ierobežotās jonizācijas zonās. Dreifa ātrums tika mērīts kā 104 m / s, kas ir tikai aptuveni 10% no elektronu drifta ātruma.

HIPIMS pamatnes pirmapstrāde

Pirms plastmasas plēvju uzklāšanas uz mehāniskām detaļām, piemēram, automobiļu detaļām, metāla griezējinstrumentiem un dekoratīviem savienojumiem, ir nepieciešama substrāta pirmapstrāde plazmas vidē. Substrāti ir iegremdēti plazmā un tie ir novirzīti uz augsta spriegumu dažiem simtiem voltu. Tas izraisa lielu enerģiju jonu bombardēšanu, kas izsmidzina jebkādu piesārņojumu. Gadījumos, kad plazmā ir metāla joni, tos var implantēt substrātā līdz dažu nm dziļumam. HIPIMS izmanto, lai ģenerētu plazmu ar augstu blīvumu un lielu metāla jonu daļu. Aplūkojot filmas substrāta interfeisu šķērsgriezumā, var redzēt tīru interfeisu. Epitaksija vai atomu reģistrs ir raksturīgs starp nitridu plēves kristālu un metāla substrāta kristālu, kad HIPIMS tiek izmantots pirmsapstrādei. HIPIMS pirmoreiz tika izmantots tērauda virsmas pirmapstrādei 2001. gada februārī, ko veica AP Ehiasarian.

Pamatnes novirze pirmapstrādes laikā izmanto augstu spriegumu, kam nepieciešama mērķtiecīgi izstrādāta loka atklāšanas un apspiešanas tehnoloģija. Dekoratīvie DC substrāta slīpēšanas vienības nodrošina vispusīgāko risinājumu, jo tie palielina pamatnes gravējumu, samazina substrāta bojājumus un var darboties sistēmās ar vairākiem katodiem. Alternatīva ir divu HIPIMS barošanas bloku izmantošana, kas tiek sinhronizētas master-slave konfigurācijā: viens, lai izveidotu izlādi, un viens, lai radītu impulsu substrāta slīpumu.

HIPIMS nogulsnēšanās ar plēvi

HIPIMS gludās plēves ar izlādes strāvas blīvumu> 0,5 A · cm ^-2 satur blīvu kolonnu struktūru bez tukšumiem. HIPIMS vara plēvju uzklāšanu pirmo reizi ziņoja V.Kouznetsovs, lai uzpildītu 1 μm viasas ar malu attiecību 1: 1,2

Pārejas metāla nitrīdu (CrN) plānas plēves pirmoreiz deponēja HIPIMS 2001. gada februārī AP Ehiasarian. Pirmā rūpīga HIPIMS deponēto filmu izpēte TEM demonstrēja blīvu mikrostruktūru bez liela mēroga defektiem. Plēvēm bija augsta cietība, laba izturība pret koroziju un mazs slīdošais nodiluma koeficients. Turpmākās HIPIMS aparatūras komercializācija padarīja šo tehnoloģiju pieejamu plašākai zinātnieku aprindai un izraisīja notikumu attīstību vairākās jomās.

Turpmāk minētie materiāli, protams, ir veiksmīgi deponēti HIPIMS:

●   Noturīga pret koroziju: CrN / NbN nanoskares daudzslāņu

●   Izturīgs pret oksidāciju: CrAlYN / CrN , nanoskares , daudzslāņu,   Ti-Al-Si-N, Cr-Al-Si-N nanocomposite

●   Optiskie: Ag, TiO2, ZnO, InSnO, ZrO ₂ , CuInGaSe

●   MAX fāzes: TiSiC

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

●   Cietie pārklājumi: oglekļa nitrīds CN _x

●   Hidrofobs: HfO ₂

Priekšrocības

Galvenās HIPIMS pārklājumu priekšrocības ietver blīvāku pārklājuma morfoloģiju un paaugstinātu cietības attiecību pret Young moduli, salīdzinot ar parastajiem PVD pārklājumiem. Tā kā salīdzināmi tradicionālie nanostrukturētie (Ti, Al) N pārklājumi ir cietība 25 GPa un Young modulis 460 GPa, jaunā HIPIMS pārklājuma cietība ir augstāka par 30 GPa ar Young moduli 368 GPa. Attiecība starp cietību un Young moduli ir pārklājuma stingrību īpašības. Vēlamais nosacījums ir augsta cietība ar relatīvi mazu Young moduli, piemēram, to var atrast HIPIMS pārklājumos. Nesen inovatīvus HIPIMS pārklājumu virsmas biomedicīnas pielietojumiem ziņoja Rtimi et al.