Pulvérisation de magnétron à impulsion de haute puissance

La pulvérisation cathodique par magnétron à impulsions haute puissance (HIPIMS ou HiPIMS, également connue sous le nom de pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance, HPPMS) est une méthode de dépôt physique en phase vapeur de couches minces basée sur le dépôt par magnétron. HIPIMS utilise des densités de puissance extrêmement élevées de l'ordre de kW ∙ cm ^-2 en impulsions courtes (impulsions) de dizaines de microsecondes à faible rapport cyclique (rapport temps de marche / arrêt) de <> Les caractéristiques distinctives de HIPIMS sont un degré élevé d'ionisation du métal pulvérisé et un taux élevé de dissociation des gaz moléculaires qui résulte en une densité élevée des films déposés. Le degré d'ionisation et de dissociation augmente en fonction du pic de puissance de la cathode. La limite est déterminée par la transition de la décharge de la lueur à la phase d'arc. La puissance de crête et le cycle de service sont choisis de manière à maintenir une puissance de cathode moyenne similaire à celle de la pulvérisation cathodique conventionnelle (1-10 W ∙ cm ^-2 ).

HIPIMS est utilisé pour:

●   Pré-traitement améliorant l'adhérence du substrat avant le dépôt de revêtement (attaque de substrat)

●   dépôt de couches minces à haute densité de microstructure

Décharge de plasma HIPIMS

Le plasma HIPIMS est généré par une décharge luminescente où la densité de courant de décharge peut atteindre plusieurs A ∙ cm ^-2 , tandis que la tension de décharge est maintenue à plusieurs centaines de volts. La décharge est répartie de façon homogène sur la surface de la cathode (cible) mais au-dessus d'un certain seuil de densité de courant, elle se concentre dans des zones d'ionisation étroites qui se déplacent le long d'une trajectoire d'érosion.

HIPIMS génère un plasma de haute densité de l'ordre de 1013 ions ∙ cm ^-3 contenant des fractions élevées d'ions métalliques cibles. Le principal mécanisme d'ionisation est l'impact électronique, qui est équilibré par l'échange de charge, la diffusion et l'éjection du plasma dans les torches. Les taux d'ionisation dépendent de la densité du plasma.

Le degré d'ionisation de la vapeur de métal est une fonction importante de la densité de courant de crête de la décharge. À des densités de courant élevées, des ions pulvérisés de charge 2+ et supérieure - jusqu'à 5+ pour V - peuvent être générés. L'apparition d'ions cibles avec des états de charge supérieurs à 1+ est responsable d'un processus potentiel d'émission d'électrons secondaires qui a un coefficient d'émission plus élevé que l'émission secondaire cinétique trouvée dans les décharges luminescentes conventionnelles. L'établissement d'une émission d'électrons secondaires potentielle peut améliorer le courant de la décharge.

Le HIPIMS fonctionne généralement en mode à impulsions courtes (impulsions) avec un faible rapport cyclique afin d'éviter la surchauffe de la cible et des autres composants du système. Dans chaque impulsion, la décharge passe par plusieurs étapes:

●   panne électrique

●   plasma gazeux

●   plasma métallique

●   état stable, qui peut être atteint si le plasma métallique est suffisamment dense pour dominer efficacement sur le plasma gazeux.

La tension négative (tension de polarisation) appliquée au substrat influence l'énergie et la direction du mouvement des particules chargées positivement qui heurtent le substrat. Le cycle on-off a une période de l'ordre de millisecondes. Comme le rapport cyclique est faible (<10%), seule="" la="" puissance="" moyenne="" de="" la="" cathode="" est="" faible="" (1-10=""> La cible peut se refroidir pendant le "temps d'arrêt", maintenant ainsi la stabilité du processus.

La décharge qui maintient le HIPIMS est une décharge luminescente à fort courant, qui est transitoire ou quasi-stationnaire. Chaque impulsion reste incandescente jusqu'à une durée critique après laquelle elle passe à une décharge d'arc. Si la durée d'impulsion est maintenue en dessous de la valeur critique, la décharge fonctionne indéfiniment de façon stable.

Les premières observations par imagerie photographique rapide en 2008 ont été enregistrées indépendamment, démontrées avec une meilleure précision, et ont confirmé la démonstration que la plupart des processus d'ionisation se produisent dans des zones d'ionisation spatialement très limitées. La vitesse de dérive a été mesurée comme étant de l'ordre de 104 m / s, ce qui représente environ seulement 10% de la vitesse de dérive des électrons.

Prétraitement du substrat par HIPIMS

Un prétraitement du substrat dans un environnement plasma est requis avant le dépôt de couches minces sur des composants mécaniques tels que des pièces automobiles, des outils de coupe en métal et des accessoires décoratifs. Les substrats sont immergés dans un plasma et polarisés à une haute tension de quelques centaines de volts. Cela provoque un bombardement d'ions à haute énergie qui évite toute contamination. Dans les cas où le plasma contient des ions métalliques, ils peuvent être implantés dans le substrat jusqu'à une profondeur de quelques nm. HIPIMS est utilisé pour générer un plasma avec une haute densité et une forte proportion d'ions métalliques. Lorsque l'on regarde l'interface film-substrat en coupe transversale, on peut voir une interface propre. L'épitaxie ou registre atomique est typique entre le cristal d'un film de nitrure et le cristal d'un substrat métallique lorsque HIPIMS est utilisé pour le prétraitement. HIPIMS a été utilisé pour le prétraitement de substrats en acier pour la première fois en février 2001 par AP Ehiasarian.

La polarisation du substrat pendant le prétraitement utilise des tensions élevées, qui nécessitent une technologie de détection et de suppression d'arc conçue à cet effet. Les unités de polarisation de substrat CC dédiées offrent l'option la plus polyvalente car elles maximisent les vitesses de gravure du substrat, minimisent les dommages au substrat et peuvent fonctionner dans des systèmes à cathodes multiples. Une alternative est l'utilisation de deux alimentations HIPIMS synchronisées dans une configuration maître-esclave: l'une pour établir la décharge et l'autre pour produire une polarisation du substrat pulsé.

Dépôt de couches minces par HIPIMS

Les films minces déposés par HIPIMS à une densité de courant de décharge> 0,5 A · cm ^-2 ont une structure colonnaire dense sans vides. Le dépôt de films de cuivre par HIPIMS a été rapporté pour la première fois par V. Kouznetsov pour l'application de vias de remplissage de 1 μm avec un rapport d'aspect de 1: 1,2

Des couches minces de nitrure de métal de transition (CrN) ont été déposées par HIPIMS pour la première fois en février 2001 par AP Ehiasarian. La première étude approfondie des films déposés par HIPIMS par TEM a démontré une microstructure dense, exempte de défauts à grande échelle. Les films ont une dureté élevée, une bonne résistance à la corrosion et un faible coefficient d'usure par glissement. La commercialisation du matériel HIPIMS qui a suivi a rendu la technologie accessible à l'ensemble de la communauté scientifique et a déclenché des développements dans un certain nombre de domaines.

Les matériaux suivants ont, entre autres, été déposés avec succès par HIPIMS:

●   Résistant à la corrosion: multicouche nanométrique CrN / NbN

●   Résistance à l'oxydation: CrAlYN / CrN , nanométrique , multicouche,   Ti-Al-Si-N, nanocomposite de Cr-Al-Si-N

●   Optique: Ag, TiO ₂ , ZnO, InSnO, ZrO ₂ , CuInGaSe

●   Phases MAX: TiSiC

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

●   Revêtements durs: nitrure de carbone CN _x

●   Hydrophobe: HfO ₂

Avantages

Les principaux avantages des revêtements HIPIMS comprennent une morphologie de revêtement plus dense et un rapport de dureté accru au module de Young par rapport aux revêtements PVD classiques. Alors que les revêtements nanostructurés conventionnels (Ti, Al) N ont une dureté de 25 GPa et un module d'Young de 460 GPa, la dureté du nouveau revêtement HIPIMS est supérieure à 30 GPa avec un module d'Young de 368 GPa. Le rapport entre la dureté et le module de Young est une mesure des propriétés de ténacité du revêtement. La condition désirable est une dureté élevée avec un module d'Young relativement petit, tel que celui que l'on trouve dans les revêtements HIPIMS. Récemment, des applications innovantes de surfaces revêtues HIPIMS pour des applications biomédicales ont été rapportées par Rtimi et al.