高出力インパルスマグネトロンスパッタリング

- Dec 20, 2017-

高出力インパルスマグネトロンスパッタリング(HIPIMSまたはHiPIMS、高出力パルスマグネトロンスパッタリング、HPPMSとしても知られている)は、マグネトロンスパッタ堆積に基づく薄膜の物理蒸着のための方法である。 HIPIMSは、10%未満の低デューティサイクル(オン/オフ時間比)で数十マイクロ秒の短パルス(インパルス)でkW・cm -2のオーダーの極めて高い出力密度を利用する。 HIPIMSの特徴は、スパッタされた金属の高度なイオン化と、堆積膜の高密度化をもたらす高い分子ガス解離速度である。 ピーク陰極電力に応じてイオン化解離度が増加する。 限界は、放電からアーク段階への放電の遷移によって決定される。 ピーク電力およびデューティサイクルは、従来のスパッタリング(1〜10W・cm -2 )と同様の平均陰極電力を維持するように選択される。


HIPIMSは次の目的で使用されます。

  コーティング付着(基板エッチング)前の基板の接着強化前処理は、

  高い微細構造密度を有する薄膜の堆積


HIPIMSプラズマ放電

HIPIMSプラズマは、放電電流密度が数A・cm -2に達することができるグロー放電によって生成され、放電電圧は数百ボルトに維持される。 放電はカソード(ターゲット)の表面にわたって均一に分布するが、電流密度のある閾値を超えると、ターゲットエロージョン「レーストラック」として知られる経路に沿って移動する狭いイオン化ゾーンに集中する。


HIPIMSは、高濃度のターゲット金属イオンを含む1013イオン・cm -3の高密度プラズマを生成します。 主なイオン化機構は、電荷交換、拡散、およびフレアにおけるプラズマ放出によってバランスされる電子衝撃である。 イオン化率は、プラズマ密度に依存する。


金属蒸気のイオン化度は、放電のピーク電流密度の強い関数である。 高電流密度では、V +の電荷が2+以上でスパッタリングされたイオンが5+まで生成されます。 1+より高い電荷状態を有するターゲットイオンの出現は、従来のグロー放電で見られる運動二次放出よりも高い放出係数を有する潜在的な二次電子放出プロセスの原因となる。 潜在的な二次電子放出の確立は、放電の電流を増強することができる。


HIPIMSは、ターゲットおよび他のシステム構成要素の過熱を避けるために、通常、低デューティサイクルの短パルス(インパルス)モードで動作する。 あらゆるパルスで放電はいくつかの段階を経る:

  電気故障

  ガスプラズマ

  金属プラズマ

  金属プラズマがガスプラズマ上で実質的に支配的になるほど高密度である場合に到達することができる定常状態である。


基板に印加される負の電圧(バイアス電圧)は、基板に当たる正に荷電した粒子の運動およびエネルギーの方向に影響を及ぼす。 オンオフサイクルは、ミリ秒オーダの周期を有する。 デューティサイクルが小さい(<> ターゲットは「オフ時間」中に冷却され、それによりプロセスの安定性が維持される。


HIPIMSを維持する放電は、過渡または準定常の大電流グロー放電である。 各パルスは、それがアーク放電に移行する臨界時間までグローを保つ。 パルス長がクリティカル以下に保たれると、放電は無期限に安定して動作します。


2008年の高速カメライメージングによる初期観察は、独立して記録され、より良い精度で実証され、大部分のイオン化プロセスが空間的に非常に限られたイオン化ゾーンで起こることを実証した。 ドリフト速度は、電子ドリフト速度のわずか約10%である104m / s程度であると測定された。


HIPIMSによる基板前処理

プラズマ環境における基板の前処理は、自動車部品、金属切削工具および装飾用継手のような機械部品に薄膜を堆積する前に必要とされる。 基板はプラズマに浸され、数百ボルトの高電圧にバイアスされる。 これは高エネルギーのイオン衝撃を引き起こし、汚染を除去する。 プラズマが金属イオンを含む場合、それらは数nmの深さまで基板に注入することができる。 HIPIMSは、金属イオンの高密度および高比率のプラズマを生成するために使用される。 断面のフィルム - 基材界面を見ると、きれいな界面を見ることができます。 HIPIMSを前処理に用いた場合、窒化膜の結晶と金属基板の結晶との間では、エピタキシーまたは原子レジストリが典型的である。 HIPIMSは、AP Ehiasarianによって2001年2月に鋼基材の前処理に初めて使用されました。


前処理中の基板バイアスは高電圧を使用し、目的に合わせて設計されたアーク検出と抑制技術が必要です。 専用のDC基板バイアスユニットは、基板エッチレートを最大化し、基板の損傷を最小限に抑え、複数のカソードを備えたシステムで動作できるので、最も汎用性の高いオプションを提供します。 別の方法として、マスタースレーブ構成で同期された2つのHIPIMS電源を使用する方法があります.1つは放電を確立し、もう1つはパルス基板バイアスを生成することです。


HIPIMSによる薄膜堆積

放電電流密度> 0.5A・cm -2で HIPIMSによって堆積された薄膜は、空隙のない緻密な柱状構造を有する。 HIPIMSによる銅膜の堆積は、1:1.2のアスペクト比を有する1μmのビアを充填するためのV. Kouznetsovによって初めて報告された


遷移金属窒化物(CrN)薄膜は、AP Ehiasarianによって2001年2月にHIPIMSによって初めて堆積された。 TEMによってHIPIMSによって堆積された膜の最初の徹底的な調査は、大規模な欠陥のない高密度の微細構造を示した。 このフィルムは、高い硬度、良好な耐食性および低い摺動摩耗係数を有していた。 これに続くHIPIMSハードウェアの商業化により、この技術は広範な科学コミュニティにアクセスしやすくなり、多くの分野で開発が開始されました。


以下の材料は、とりわけHIPIMSによってうまく堆積されている:

  耐腐食性:CrN / NbNナノスケール多層

  耐酸化性:CrAlYN / CrN ナノスケール 多層、   Ti-Al-Si-N、Cr-Al-Si-Nナノコンポジット

  光:Ag、TiO 2 、ZnO、InSnO、ZrO 2 、CuInGaSe

  MAX相:TiSiC

  マイクロエレクトロニクス:Cu、Ti、TiN、Ta、TaN

  ハードコーティング:窒化炭素CN x

  疎水性:HfO 2


利点

HIPIMSコーティングの主な利点は、従来のPVDコーティングと比較して、高密度コーティング形態および硬度対ヤング率の増加を含む。 比較可能な従来のナノ構造(Ti、Al)Nコーティングは25GPaの硬度および460GPaのヤング率を有するが、新しいHIPIMSコーティングの硬度は30GPaより高く、ヤング率は368GPaである。 硬度とヤング率との間の比は、コーティングの靱性特性の尺度である。 望ましい条件は、HIPIMSコーティングに見られるような比較的小さなヤング率での高い硬度である。 近年、生物医学的応用のためのHIPIMS被覆表面の革新的な応用がRtimiらによって報告されている。