고출력 임펄스 마그네트론 스패터링

High-power impulse magnetron sputtering

고출력 임펄스 마그네트론 스패터링(HIPIMS 또는 HiPIMS, 고출력 펄스 마그네트론 스패터링)은 마그네트론 스패터 증착에 기초한 박막의 물리적 기상 증착 방법입니다.HIPIMS는 10 % 미만의 낮은 듀티 사이클(온/오프 시간 비율)에서 수십 마이크로초의 짧은 펄스(임펄스)로 kWµcm−2 정도의 매우 높은 전력 밀도를 사용합니다.HIPIMS의 구별되는 특징은 스패터 금속의 높은 이온화 정도와 고밀도 퇴적막을 야기하는 높은 분자 가스 해리 속도이다.피크 음극 출력에 따라 이온화 및 해리도가 증가합니다.한계는 방전 상태가 예열 단계에서 아크 단계로 전환됨으로써 결정됩니다.피크전력과 듀티사이클은 기존 스패터링(1~10Wµcm−2)과 유사한 평균음극전력을 유지하도록 선택된다.

HIPIMS는 다음 용도로 사용됩니다.

  • 코팅 퇴적 전에 기판의 전처리를 촉진하는 접착력 향상(코팅 식각)
  • 미세 구조 밀도가 높은 박막의 퇴적

HIPIMS 혈장 방전

HIPIMS 플라즈마는 방전전압을 수백볼트로 [1]유지하면서 방전전류밀도가 수 Aµcm에−2 이를 수 있는 글로우방전에 의해 발생한다.방전은 음극(타깃) 표면에 균일하게 분포되지만 전류 밀도의 특정 임계값을 초과하면 목표 침식 "레이서트랙"[2]으로 알려진 경로를 따라 이동하는 좁은 이온화 영역에 집중됩니다.

HIPIMS는 타깃 금속 이온의 고분율을 포함한 10이온µcm−3[1] 정도의13 고밀도 플라즈마를 생성한다.주요 이온화 메커니즘은 전자 충격이며, 이는 플레어의 전하 교환, 확산 및 플라즈마 방출에 의해 균형을 이룬다.이온화 속도는 플라즈마 밀도에 따라 달라집니다.
금속 증기의 이온화 정도는 방전의 피크 전류 밀도의 강력한 함수이다.고전류 밀도에서는 2+ 이상의 전하를 가진 스패터 이온(V의 경우 최대 5+)이 발생할 수 있습니다.1+ 이상의 전하 상태를 가진 표적 이온의 출현은 기존의 글로우 방전에서 볼 수 있는 운동적인 2차 방출보다 높은 방출 계수를 갖는 잠재적 2차 전자 방출 과정을 야기한다.잠재적인 2차 전자 방출이 확립되면 방전 전류가 향상될 수 있습니다.
HIPIMS는 일반적으로 타깃 및 기타 시스템컴포넌트의 과열을 피하기 위해 듀티 사이클이 낮은 단펄스(임펄스) 모드로 동작합니다.모든 펄스에서 방전은 여러 단계를 [1]거칩니다.

  • 전기적 고장
  • 가스 플라즈마
  • 금속 플라즈마
  • 정상 상태, 이것은 금속 플라즈마가 가스 플라즈마를 효과적으로 지배할 수 있을 정도로 밀도가 높은 경우에 도달할 수 있습니다.

기판에 인가되는 음전압(바이어스 전압)은 기판에 부딪히는 양전하 입자의 에너지와 운동 방향에 영향을 미칩니다.온오프 사이클의 주기는 밀리초입니다.듀티 사이클이 작기 때문에(< 10%) 낮은 평균 음극 전력(1~10kW)만 발생합니다.타깃은 "오프 타임" 동안 냉각되어 공정 [3]안정성을 유지할 수 있습니다.

HIPIMS를 유지하는 방전은 고전류 글로우 방전이며, 이는 일시적 또는 준정전적입니다.각 펄스는 임계 시간까지 빛을 유지한 후 아크 방전으로 전환됩니다.펄스 길이가 임계 지속시간 이하로 유지되면 방전은 무한히 안정적으로 동작한다.

2008년의 고속 카메라[2] 촬영에 의한 초기 관측은 독립적으로 [4]기록되어 보다 [5]정밀하게 입증되었으며, 대부분의[6] 이온화 과정이 공간적으로 매우 제한된 이온화 구역에서 발생함을 입증하였다.드리프트 속도는 전자 드리프트 속도의 약 10%인 10m4/[5]s로 측정되었다.

HIPIMS에 의한 기판 사전 준비

자동차 부품, 금속 절삭 공구 및 장식 피팅과 같은 기계 부품에 박막을 증착하기 전에 플라즈마 환경에서 기판 전처리가 필요합니다.기판은 플라즈마에 담그고 수백 볼트의 고전압으로 바이어스됩니다.이로 인해 고에너지 이온 충격이 발생하여 오염이 튀어 나옵니다.플라즈마에 금속이온이 포함되어 있는 경우에는 수 nm 깊이까지 기판에 주입할 수 있다.HIPIMS는 고밀도 금속 이온의 비율이 높은 플라즈마를 생성하는 데 사용됩니다.단면에서 필름-기판 인터페이스를 보면 깨끗한 인터페이스를 볼 수 있습니다.에피택시 또는 원자 레지스트리는 전처리에 [7]HIPIMS를 사용할 때 질화막의 결정과 금속 기판의 결정 사이에 전형적으로 있습니다.HIPIMS는 2001년 2월 A.P.에 의해 처음으로 강철 기판의 전처리에 사용되고 있다.에히아사리안[8]

전처리 중 기판 바이어싱은 고전압을 사용하며, 이를 위해서는 특수 설계된 아크 검출 및 억제 기술이 필요합니다.전용 DC 기판 바이어스 유닛은 기판 식각 속도를 최대화하고 기판 손상을 최소화하며 여러 개의 캐소드가 있는 시스템에서 작동할 수 있기 때문에 가장 다양한 옵션을 제공합니다.대안은 마스터 슬레이브 구성으로 동기화된 두 개의 HIPIMS 전원 공급기를 사용하는 것입니다. 하나는 방전을 확립하는 것이고 다른 하나는 펄스 기판[9] 바이어스를 생성하는 것입니다.

HIPIMS에 의한 박막 증착

그림은 탄화물 기판의 CemeCon AG에 의한 HiPIMS FerroCon 툴 코팅의 표면 지형 및 구조를 전자 현미경으로 확대하여 보여줍니다.

HIPIMS에 의해 방전 전류 밀도 > 0.5Aµcm로−2 퇴적된 박막은 공극이 없는 고밀도 주상 구조를 가지고 있다.
HIPIMS에 의한 구리막의 증착은 V. Kouznetsov에 의해 종횡비 1:1.2로[10] 1µm vias를 채우는 방법에 대해 처음으로 보고되었다.

전이 금속 질화물(CrN) 박막은 2001년 2월 A.P.에 의해 HIPIMS에 의해 처음으로 퇴적되었다.에히아사리안[citation needed]TEM에 의해 HIPIMS에 의해 퇴적된 필름에 대한 첫 번째 철저한 조사는 대규모 [8]결함이 없는 고밀도 미세 구조를 보여주었다.필름은 높은 경도, 우수한 내식성 및 낮은 슬라이딩 마모 [8]계수를 가지고 있었습니다.그 후 HIPIMS 하드웨어가 상용화됨에 따라 이 기술은 더 넓은 과학계에서 접근할 수 있게 되었고, 여러 분야에서 발전을 촉발시켰다.

반응형 HiPIMS

기존의 반응성 스패터 증착 공정에서 볼 수 있는 것과 마찬가지로, HiPIMS는 아래 목록과 같이 여러 기판 상에서 산화물 또는 질화물 기반 막을 얻기 위해 사용되었습니다.그러나 이러한 방법들의 특징인 만큼, 이러한 퇴적물의 성능에는 상당한 이력이 있으므로 최적의 작동 지점을 검사하기 위해 세심한 검토가 필요하다.반응성 HiPIMS의 중요한 개요는 A에 의해 발표되었다.앤더스와[11] 쿠바트 등..[12]

증착 예

특히 HIPIMS에 의해 성공적으로 보관된 자료는 다음과 같습니다.

산업용도

HIPIMS는 산업, 특히 절삭 공구에 박막 증착에 성공적으로 적용되었습니다.최초의 HIPIMS 코팅 유닛은 2006년에 시장에 나왔다.

Apple iPhone 12 Pro의 골드 버전은 장치의 안테나 시스템 [21]역할을 하는 구조용 스테인리스 스틸 밴드에서 이 과정을 사용합니다.

이점

HIPIMS 코팅의 주요 장점은 기존의 PVD 코팅에 비해 더 조밀한 코팅 형태와[22] 영 계수 대비 향상된 경도 비율입니다.기존 나노구조(Ti,Al)N 코팅의 경도는 25GPa, 영계수는 460GPa인 반면, 새로운 HIPIMS 코팅의 경도는 영계수는 368GPa로 30GPa보다 높다.경도와 영률의 비율은 코팅의 인성 특성을 측정하는 것입니다.바람직한 조건은 HIPIMS 코팅에서 볼 수 있는 것과 같이 상대적으로 영률이 작은 높은 경도입니다.최근 Rtimi 등에 의해 [23]생물의학 애플리케이션을 위한 HIPIMS 코팅 표면의 혁신적인 적용이 보고되었다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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추가 정보

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