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  • Impulso Magnetron de alta potencia Sputtering
    Dec 20, 2017

    El chisporroteo del magnetrón de impulso de alta potencia (HIPIMS o HiPIMS, también conocido como chisporroteo 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 del sputter de magnetrón. HIPIMS utiliza densidades de potencia extremadamente altas del orden de kW ∙ cm -2 en pulsos cortos (impulsos) de decenas de microsegundos a bajo ciclo de trabajo (relación de tiempo de conexión / desconexión) de <> Las características distintivas de HIPIMS son un alto grado de ionización del metal pulverizado y una alta velocidad de disociación molecular del gas que da como resultado una alta densidad de películas depositadas. El grado de ionización y disociación aumenta de acuerdo con la potencia máxima del cátodo. El límite está determinado por la transición de la descarga de la fase de brillo a 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:

      Adyuvante de pretratamiento del sustrato antes de la deposición del recubrimiento (grabado del substrato)

      deposición de películas delgadas con alta densidad de microestructura


    Descarga de plasma HIPIMS

    El plasma HIPIMS se genera mediante una descarga luminiscente donde la densidad de la corriente de descarga puede alcanzar varios A ∙ cm -2 , mientras que el voltaje de descarga se mantiene a 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 1013 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 erupciones. Las tasas de ionización dependen de la densidad del plasma.


    El grado de ionización del vapor de metal es una función fuerte de la densidad de corriente máxima de la descarga. A altas densidades de corriente, se pueden generar iones con una 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 secundario de emisión de electrones que tiene un coeficiente de emisión más elevado que la emisión secundaria cinética encontrada en las descargas luminosas convencionales. El establecimiento de una posible emisión secundaria de electrones puede mejorar la corriente de la descarga.


    HIPIMS se opera típicamente en modo de impulso 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 de metal es lo suficientemente denso como para dominar eficazmente sobre el plasma de gas.


    El voltaje negativo (voltaje de polarización) aplicado al sustrato influye en la energía y la dirección de 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%), solo="" el="" bajo="" promedio="" de="" potencia="" del="" cátodo="" es="" el="" resultado="" (1-10=""> El objetivo puede enfriarse durante el "tiempo de inactividad", manteniendo así la estabilidad del proceso.


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


    Las observaciones iniciales mediante imágenes de cámara rápidas en 2008 se registraron de forma independiente, se demostraron con mayor precisión y confirmaron que la mayoría de los procesos de ionización se producen en zonas de ionización espacialmente muy limitadas. La velocidad de deriva se midió en el orden de 104 m / s, que es aproximadamente el 10% de la velocidad de deriva de electrones.


    Pretratamiento de sustrato por HIPIMS

    Se requiere pretratamiento del sustrato en un entorno de plasma antes de la deposición de películas delgadas en componentes mecánicos tales como piezas de automóviles, herramientas de corte de metales y accesorios decorativos. Los sustratos están inmersos en un plasma y polarizados a un alto voltaje de unos pocos cientos de voltios. Esto causa 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 una alta densidad y una alta proporción de iones metálicos. Al observar la interfaz película-sustrato en la sección transversal, se puede ver una interfaz limpia. La epitaxia o el 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 usa altos voltajes, que requieren una tecnología de supresión y detección de arco diseñada para el propósito. Las unidades de polarización de sustrato DC dedicadas brindan la opción más versátil ya que maximizan las tasas de ataque de sustrato, minimizan el daño al 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 un sesgo de sustrato pulsado.


    Deposición de película delgada por HIPIMS

    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 llenado de vías 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 deslizamiento por desgaste. La comercialización del hardware HIPIMS que siguió hizo que la tecnología fuera accesible para la comunidad científica en general y desencadenó desarrollos en una serie de áreas.


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

      Resistente a la corrosión: Crn / NbN nanoescala de múltiples capas

      Resistente a la oxidación: CrAlYN / CrN , nanoescala , multicapa,   Nanocompuesto de Ti-Al-Si-N, Cr-Al-Si-N

      Óptico: Ag, TiO 2 , ZnO, InSnO, ZrO 2 , CuInGaSe

      Fases MAX: TiSiC

      Microelectrónica: Cu, Ti, TiN, Ta, TaN

      Recubrimientos duros: nitruro de carbono CN x

      Hidrófobo: HfO 2


    Ventajas

    Las principales ventajas de los recubrimientos HIPIMS incluyen una morfología de recubrimiento más densa y una relación incrementada de dureza al módulo de Young en comparación con los recubrimientos convencionales de PVD. Mientras que los recubrimientos nanoestructurados convencionales (Ti, Al) N 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 la dureza y el 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 el que se puede encontrar en los recubrimientos HIPIMS. Recientemente, Rtimi et al. Reportaron aplicaciones innovadoras de superficies recubiertas con HIPIMS para aplicaciones biomédicas.