Thành viên:Congb3/nháp

Phún xạ magnetron sử dụng xung xuất công suất cao

High-Power Impulse Magnetron Sputtering (Viết tắt là HIPIMS hoặc HiPIMS, còn gọi là HPPMS High-Power Pulsed Magnetron Sputtering) là một phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý (physical vapor deposition, PVD) dựa trên phương pháp phún xạ Magnetron. HiPIMS sử dụng xung siêu ngắn (cỡ chục us), công suất cao (kW/cm2) và duty-cycle (tỉ lệ on/off) dưới 10%. Điểm nổi bật của HIPIMS là mức độ ion hóa cao của kim loại phún xạ và tốc độ phân ly phân tử khí cao dẫn đến mật độ màng lắng đọng cao. Mức độ ion hoá và phân ly tăng cao theo công suất cực đại của cực âm. Giới hạn này được xác định bở điểm chuyển tiếp của phóng điện từ pha phát sáng sang pha hồ quang điện. Điểm cực đại của công suất và duty-cycle được lựa chọn để đảm bảo mật độ công suất trung bình tương tự như phương pháp phún xạ truyền thống (1-10W/cm2).

Phương pháp HIPIMS thường được sử dụng để

• Xử lý tăng cường kết dính bề mặt trước khi coating (ăn mòn bề mặt đế)
• Lắng đọng màng mật độ cao

Nội dung

1. Sự phóng điện plasma
2. Xử lý bề mặt bằng HIPIMS
3. Tạo màng bằng HIPIMS
4. Ứng dụng trong công nghiệp
5. Điểm mạnh
6. Xem thêm
7. Tham khảo
8. Đọc thêm
9. Liên kết bên ngoài

Sự phóng điện plasma

Plasma HIPIMS được tạo ra bởi sự phóng điện phát sáng (glow discharge) mà ở đó mật độ dòng điện có thể lên đến vài A/cm2, trong khi đó hiệu điện thế phóng điện được duy trì ở mức vài trăm vôn. Sự phóng điện được phân bố đồng nhất trên bề mặt của cực âm (mục tiêu/ target) tuy nhiên, trên một ngưỡng mật độ dòng điện nhất định, nó sẽ tập trung trong các vùng không gian ion hóa hẹp di chuyển dọc theo một đường được gọi là "đường đua" xói mòn target.

HIPIMS tạo ra plasma mật độ cao cỡ 10^13 ions/cm3 bao gồm các mảnh vỡ của ion kim loại target. Cơ chế ion hoá cơ bản là sự va chạm điện tử, mà nó được cân bằng bởi sự trao đổi điện tích, khuếch tán, và phóng plasma trong tia lửa. Tốc độ phụ thuộc vào mật độ plasma.

Độ ion hoá của hơi kim loại phụ thuộc mạnh vào mức cực đại của mật độ dòng phóng điện. Ở mật độ dòng cao, ion phún xạ với điện tích cao (2+) đến (5+) có thể được tạo ra. Sự xuất hiện của các ion của target có trạng thái điện tích cao hơn 1+ là nguyên nhân gây ra quá trình phát xạ điện tử thứ cấp tiềm năng có hệ số phát xạ cao hơn so với phát xạ thứ cấp động học được tìm thấy trong các phóng điện phát sáng thông thường. Việc tạo ra phát xạ thứ cấp tiềm năng có thể giúp tăng cường dòng phóng điện. Thông thường thì HIPIMS được vận hành dự trên xung ngắn và duty-cycle nhỏ để đảm bảo tránh hiện tượng quá nhiệt của target và các thành phần khác của hệ thống. [1]

Trong mỗi xung thì hiện tượng phóng điện đều trải qua các giai đoạn như sau:

• Sự đánh thủng điện tử
• Plasma khí
• Plasma kim loại
• Trạng thái bền vững, nó xảy ra khi mật độ plasma kim loại đủ lớn >> plasma khí để chiếm ưu thế

Điện thế âm (thế phân cực) được đặt vào đế ảnh hưởng đến năng lượng và hướng chuyển động của các hạt mang điện tích âm đang lao về phía đế. Chu trình ON-OFF có chu kỳ cỡ ms. Vì duty-cycle nhỏ (<10%), nên dẫn đến công suất trung bình của cực âm chỉ vào khoảng 1-10 kW. Target có thể nguội đi khi ở trạng thái OFF, do đó quá trình trở lên ổn định hơn. [3]

Sự phóng điện để duy trì HIPIMS là phóng điện phát sáng dòng lớn, ở trạng thái chuyển tiếp hoặc giả ổn định. Mỗi xung duy trì sự phát sáng cho đến một khoảng thời gian tới hạn, sau đó nó chuyển sang trạng thái phóng điện hồ quang. Nếu độ dài của xung được giữ ở mức thấp hơn một khoảng tới hạn nào đó, thì quá trình phóng điện sẽ diễn ra một cách bền vững vô hạn.

Những quan sát đầu tiên bằng camera tốc độ cao vào năm 2008,[2] và những quan sát độc lập khác [4] với độ chính xác cao hơn đã khẳng định rằng hầu hết sự ion hoá diễn ra ở vùng không gian hữu hạn.[6] Tốc độ dòng trôi đo được vào khoảng 10^4 m/s [5], nó bằng khoảng 10% của tốc độ dòng trôi của điện tử.

Xử lý bề mặt bằng HIPIMS

Xử lý trước bề mặt trong môi trường plasma là cần thiết trước phủ màng mỏng trên các bộ phận cơ khí như phụ tùng ô tô, dụng cụ cắt kim loại và phụ kiện trang trí. Đế được đặt trong môi trường plasma và phân cực với điện áp cao cỡ vài trăm vôn. Điều này gây ra sự bắn phá ion năng lượng cao, loại bỏ bất kỳ sự nhiễm bẩn nào trên bề mặt. Trong trường hợp plasma chứa các ion kim loại, chúng có thể được cấy (implantation) vào bề mặt đế ở độ sâu vài nm. HIPIMS được sử dụng để tạo ra plasma có mật độ cao và tỷ lệ ion kim loại cao. Khi nhìn vào mặt cắt của đế, người ta có thể thấy một lớp phân cách rõ ràng. Epitaxy hoặc nguyên tử xếp chồng là điển hình giữa tinh thể của màng nitride và tinh thể của đế kim loại khi HIPIMS được sử dụng trong tiền xử lý.[7] HIPIMS lần đầu tiên được sử dụng để tiền xử lý bề mặt thép vào tháng 2 năm 2001 bởi A.P. Ehiasarian.[8]

Phân cực bề mặt trong quá trình tiền xử lý sử dụng cao áp, đòi hỏi công nghệ triệt tiêu và phát hiện hồ quang được thiết kế hướng mục đích. Các thiết bị để phân cực đế DC chuyên dụng cung cấp tùy chọn linh hoạt nhất để tối đa hóa tốc độ ăn mòn đế, giảm thiểu hư hỏng đế và có thể hoạt động trong các hệ thống có nhiều cực âm. Một giải pháp thay thế là sử dụng hai bộ nguồn HIPIMS được đồng bộ hóa trong cấu hình (Master-Slave) chính-phụ: một để thiết lập phóng điện và một để tạo ra xung phân cực đế [9]

Tạo màng bằng HIPIMS

Màng mỏng được tạo bởi HIPIMS với mật độ dòng phóng điện >0.5A/cm2 có cấu trúc hình cột và không có lỗ rỗng. Lắng đọng màng kim loại đồng bởi HIPIM lần đầu tiên được báo cáo bởi V. Kouzetsove cho ứng dụng lấp đầy 1um vias với tỷ lệ kích thước là 1:1.2.

Ảnh SEM mặt cắt của đế Carbibe được phủ bởi CemeCon AG

Hợp chất Nitride của kim loại chuyển tiếp (CrN) lần đầu tiên được lắng đọng bằng HIPIMS vào tháng 2 năm 2001 bở A.P Ehiasarian. Nghiên cứu kỹ lưỡng đầu tiên về các phim do HIPIMS bằng TEM đã chỉ ra cấu trúc vi mô dày đặc, không có lỗi trên diện rộng.[8] Các màng này có độ cứng cao, khả năng chống ăn mòn tốt và hệ số mài mòn trượt thấp.[8] Việc thương mại hóa phần cứng HIPIMS sau đó đã giúp cộng đồng khoa học có thể tiếp cận công nghệ này và tạo ra sự phát triển của nhiều lĩnh vực khác nhau.

Reactive HIPIMS

Tương tự như ​​trong quy trình lắng đọng phún xạ phản ứng thông thường, HIPIMS cũng đã được sử dụng để thu được các màng gốc oxit hoặc nitrit trên một số đế như trong danh sách bên dưới. Tuy nhiên, vì nó là đặc trưng của các phương pháp này, hoạt động của máy có độ trễ đáng kể và cần được kiểm tra cẩn thận để tìm điểm vận hành tối ưu. Tổng quan về phương pháp HIPIMS phản ứng đã được xuất bản bởi A. Anders[11] và Kubart et al..[12]

Các ví dụ về lắng đọng HIPIMS

Các vật liệu sau đây đã được lắng đọng thành công bởi HIPIMS

• Chống ăn mòn: CrN/NbN [13] đa lớp cấp độ nano
• Chống oxi hoá: CrAlYN/CrN [14] đa lớp cấp độ nano, Ti-Al-Si-N, Cr-Al-Si-N nanocomposite
• Quang học: Ag, TiO2 [15], ZnO [16], InSnO [17], ZrO2, CuInGaSe
• MAX phases: TiSiC [18]
• Vi điện tử: Cu, Ti, TiN, Ta, TaN
• Phủ màng cứng: CNx [9], Ti-C nanocomposite [19]
• Kỵ nước: HfO2 [20]

Ứng dụng trong công nghiệp

HIPIMS đã được áp dụng thành công cho việc lắng đọng màng mỏng trong công nghiệp, đặc biệt là trên các dụng cụ cắt gọt. Các thiết bị HIPIMS đầu tiên xuất hiện trên thị trường vào năm 2006.

Phiên bản màu vàng của Apple iPhone 12 Pro sử dụng quy trình này để phủ lên thép không gỉ, cũng đồng thời là hệ thống ăng-ten của thiết bị.[21]

Ưu điểm của HIPIMS

Ưu điểm chính của lớp phủ HIPIMS là mật độ cao [22] và tỷ lệ độ cứng so với mô đun Young tăng lên so với lớp phủ PVD thông thường. Ví dụ, các lớp phủ (Ti,Al)N có cấu trúc nano thông thường có độ cứng 25 GPa và mô đun Young là 460 GPa, thì độ cứng của lớp phủ HIPIMS mới cao hơn là 30 GPa với mô đun Young là 368 GPa. Tỷ lệ giữa độ cứng và mô đun Young là thước đo đặc tính dẻo dai của lớp phủ. Điều kiện mong muốn là độ cứng cao với mô đun Young tương đối nhỏ có thể thực hiện bởi lớp phủ HIPIMS. Gần đây, các ứng dụng cách mạng của bề mặt phủ HIPIMS cho các ứng dụng y sinh đã được báo cáo bởi Rtimi và cộng sự.[23]

Tham khảo

Bài viết đựoc dịch từ link dưới đây:

https://en.wikipedia.org/wiki/High-power_impulse_magnetron_sputtering