고출력 임펄스 마그네트론 스퍼터링
Dec 20, 2017| 고전력 펄스 마그네트론 스퍼터링 (HIPIMS 또는 HiPIMS, 고출력 펄스 마그네트론 스퍼터링, HPPMS라고도 함)은 마그네트론 스퍼터 증착에 기초한 박막의 물리적 기상 증착 방법이다. HIPIMS는 10 % 미만의 낮은 듀티 사이클 (on / off 시간 비율)에서 수십 마이크로 초의 짧은 펄스 (임펄스)에서 kW ∙ cm -2 정도의 매우 높은 전력 밀도를 사용합니다. HIPIMS의 특징은 스퍼터링 된 금속의 고도의 이온화와 고밀도의 분자 가스 해리로 인해 증착 된 박막의 밀도가 높다는 것입니다. 이온화 및 해리도는 피크 음극 전력에 따라 증가한다. 한계는 방전에서 아크 단계로의 전이에 의해 결정됩니다. 첨두 전력 및 듀티 사이클은 통상적 인 스퍼터링 (1 내지 10W ∙ cm -2 )과 유사한 평균 음극 전력을 유지하도록 선택된다.
HIPIMS는 다음 용도로 사용됩니다.
● 코팅 증착 (기판 에칭) 이전에 기판의 접착 강화 전처리
● 높은 미세 구조 밀도를 갖는 박막 증착
HIPIMS 플라즈마 방전
HIPIMS 플라즈마는 방전 전류 밀도가 수 Å- 2에 도달 할 수있는 글로우 방전 (glow discharge)에 의해 발생되는 반면, 방전 전압은 수백 볼트로 유지된다. 방전은 음극 (표적)의 표면에 균일하게 분포되지만, 전류 밀도의 특정 문턱 값을 초과하면 표적 침식 "경마장"으로 알려진 경로를 따라 이동하는 좁은 이온화 구역에 집중된다.
HIPIMS는 고농도의 타겟 금속 이온을 함유 한 1013 ions-cm -3 정도의 고밀도 플라즈마를 생성합니다. 주요 이온화 메커니즘은 전하 교환, 확산 및 플레어에서의 플라즈마 배출에 의해 균형을 이루는 전자 충돌입니다. 이온화 속도는 플라즈마 밀도에 의존한다.
금속 증기의 이온화 정도는 방전의 피크 전류 밀도의 강한 함수이다. 높은 전류 밀도에서 V +의 전하가 2+ 이상인 스퍼터링 된 이온을 생성 할 수 있습니다. 1+보다 높은 전하 상태를 갖는 타겟 이온의 출현은 종래의 글로 방전에서 발견되는 운동 이차 방출보다 높은 방출 계수를 갖는 잠재 2 차 전자 방출 프로세스의 원인이된다. 잠재적 인 2 차 전자 방출의 확립은 방전 전류를 향상시킬 수있다.
HIPIMS는 일반적으로 타겟 및 기타 시스템 구성 요소의 과열을 피하기 위해 낮은 듀티 사이클의 짧은 펄스 (임펄스) 모드로 작동합니다. 모든 맥박에서 방전은 여러 단계를 거칩니다.
● 전기적 고장
● 가스 플라즈마
● 금속 플라즈마
● 안정 상태는 금속 플라즈마가 가스 플라즈마를 효과적으로 지배하기에 충분히 고밀도 인 경우에 도달 될 수있다.
기판에인가 된 음의 전압 (바이어스 전압)은 기판에 부딪히는 양으로 대전 된 입자의 에너지 및 운동 방향에 영향을 미친다. 켜기 / 끄기주기는 밀리 초 단위의 기간입니다. 듀티 사이클이 작기 때문에 (<10 %),="" 낮은="" 평균="" 음극="" 전력="" 만이="" 결과="" (1-10=""> 대상은 "오프 타임"동안 냉각되어 프로세스 안정성을 유지합니다.
HIPIMS를 유지하는 방전은 일시적인 또는 준정적인 고전류 글로 방전입니다. 각 펄스는 중요한 방전 지속 시간까지 점등 상태를 유지 한 후 아크 방전으로 이동합니다. 펄스 길이가 임계 이하로 유지되면 방전은 안정된 방식으로 무기한 작동합니다.
2008 년의 빠른 카메라 이미징에 의한 초기 관찰은 독립적으로 기록되어 더 나은 정밀도로 시연되었으며 대부분의 이온화 프로세스가 공간적으로 매우 제한된 이온화 영역에서 발생 함을 입증했습니다. 드리프트 속도는 전자 드리프트 속도의 약 10 % 인 104m / s 정도라고 측정되었다.
HIPIMS에 의한 기판 전처리
플라즈마 환경에서 기판 전처리는 자동차 부품, 금속 절삭 공구 및 장식용 피팅과 같은 기계 부품에 박막을 증착하기 전에 필요합니다. 기판은 플라즈마에 담그고 수백 볼트의 고전압에 바이어스된다. 이로 인해 고 에너지 이온 폭격이 일어나 오염을 제거합니다. 플라즈마가 금속 이온을 함유하는 경우에, 이들은 수 nm의 깊이까지 기판 내로 주입 될 수있다. HIPIMS는 높은 밀도와 높은 비율의 금속 이온으로 플라즈마를 생성하는 데 사용됩니다. 횡단면에서 필름 - 기판 인터페이스를 볼 때 깨끗한 인터페이스를 볼 수 있습니다. 에피 택시 또는 원자 등록은 HIPIMS가 전처리에 사용될 때 금속 기판의 결정과 질화물 필름의 결정 사이에서 전형적이다. HIPIMS는 AP Ehiasarian에 의해 2001 년 2 월에 강재 전처리에 처음으로 사용되었습니다.
전처리 도중 기판 바이어 싱은 목적으로 설계된 아크 감지 및 억제 기술을 필요로하는 고전압을 사용합니다. 전용 DC 기판 바이어 싱 장치는 기판 에칭 속도를 최대화하고 기판 손상을 최소화하며 다중 음극 시스템에서 작동 할 수있는 가장 다양한 옵션을 제공합니다. 다른 방법으로 마스터 슬레이브 구성에서 동기화 된 두 개의 HIPIMS 전원 공급 장치를 사용하는 것입니다. 하나는 방전을 설정하고 다른 하나는 펄스 된 기판 바이어스를 생성하는 것입니다.
HIPIMS에 의한 박막 증착
방전 전류 밀도> 0.5A · cm- 2 에서 HIPIMS에 의해 증착 된 박막은 공극이없는 조밀 한 기둥 형 구조를 갖는다. HIPIMS에 의한 구리 막의 증착은 애스펙트 비가 1 : 1.2 인 1㎛ 비아 충진 용 V. Kouznetsov에 의해 처음으로보고되었다
전이 금속 질화물 (CrN) 박막은 AP Ehiasarian에 의해 2001 년 2 월 HIPIMS에 의해 처음으로 증착되었다. TEM에 의해 HIPIMS에 의해 증착 된 박막에 대한 최초의 철저한 조사는 대규모 결함이없는 고밀도의 미세 구조를 입증했다. 필름은 높은 경도, 양호한 내 부식성 및 낮은 슬라이딩 마모 계수를 가졌다. HIPIMS 하드웨어의 상용화로이 기술은 광범위한 과학 공동체에 쉽게 접근 할 수 있었으며 여러 분야의 개발을 촉발 시켰습니다.
다음 자료들은 특히 HIPIMS에 의해 성공적으로 기탁되었습니다.
● 부식 방지 : CrN / NbN 나노 스케일 다층
● 내 산화성 : CrAlYN / CrN , 나노 스케일 , 다층, Ti-Al-Si-N, Cr-Al-Si-N 나노 복합체
● 광학 : Ag, TiO2, ZnO, InSnO, ZrO2, CuInGaSe
● MAX 상 : TiSiC
● 마이크로 일렉트로닉스 : Cu, Ti, TiN, Ta, TaN
● 하드 코팅 : 탄소 질화물 CN x
● 소수성 : HfO2
장점
HIPIMS 코팅의 주된 장점은 기존의 PVD 코팅과 비교하여 밀도가 높은 코팅 형태와 경도 대 영 계수의 증가 된 비율을 포함합니다. 비교 가능한 전통적인 나노 구조 (Ti, Al) N 코팅은 25 GPa의 경도와 460 GPa의 영률을 가지지 만, 새로운 HIPIMS 코팅의 경도는 368 GPa의 영률로 30 GPa 이상입니다. 경도와 영률 간의 비율은 코팅의 인성 특성을 측정 한 것입니다. 바람직한 조건은 HIPIMS 코팅에서 볼 수있는 것과 같이 상대적으로 작은 영률을 갖는 높은 경도입니다. 최근에, 생물 의학 응용을위한 HIPIMS 코팅 된 표면의 혁신적인 적용은 Rtimi et al.