高出力インパルスマグネトロンスパッタリング

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とも呼ばれる）は、マグネトロンスパッタ堆積法に基づく薄膜の物理蒸着法です。HIPIMS は、10% 未満の低い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いパルス（インパルス）でkW⋅cm ⁻²オーダーの非常に高い電力密度を利用します。HIPIMS の特徴は、スパッタされた金属のイオン化度が高く、分子ガスの解離率が高いため、高密度の堆積膜が得られることです。イオン化度と解離度は、ピーク陰極電力に応じて増加します。限界は、グローからアーク相への放電の遷移によって決まります。ピーク電力とデューティサイクルは、従来のスパッタリング（1～10 W⋅cm ⁻²）と同様の平均陰極電力を維持するように選択されます。

HIPIMS は以下の目的で使用されます:

コーティング堆積前の基板の接着性向上前処理（基板エッチング）
高密度微細構造薄膜の堆積

HIPIMSプラズマ放電

HIPIMSプラズマはグロー放電によって生成され、放電電流密度は数A⋅cm ⁻²に達しますが、放電電圧は数百ボルトに維持されます。^[1]放電はカソード（ターゲット）の表面全体に均一に分布しますが、電流密度の特定のしきい値を超えると、ターゲット浸食「レーストラック」と呼ばれる経路に沿って移動する狭いイオン化ゾーンに集中します。^[2]

HIPIMS は、ターゲット金属イオンを高割合で含む10 ¹³ ions⋅cm ⁻³^[1]オーダーの高密度プラズマを生成します。主なイオン化メカニズムは電子衝撃であり、これは電荷交換、拡散、フレアでのプラズマ放出によってバランスが取られます。イオン化率はプラズマ密度に依存します。金属蒸気のイオン化度は、放電のピーク電流密度に強く依存します。高電流密度では、電荷 2+ 以上 (V の場合は最大 5+) のスパッタイオンが生成されます。1+ より高い電荷状態を持つ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持つ潜在的な二次電子放出プロセスの原因です。潜在的な二次電子放出の確立により、放電電流が増加する可能性があります。HIPIMSは通常、ターゲットやその他のシステムコンポーネントの過熱を回避するために、低いデューティサイクルの短いパルス (インパルス) モードで動作します。放電はパルスごとにいくつかの段階を経る：^[1]

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を効果的に支配できるほど十分に高密度である場合、定常状態に達する可能性があります。

基板に印加される負電圧（バイアス電圧）は、基板に衝突する正電荷粒子のエネルギーと運動方向に影響を与えます。オンオフサイクルの周期はミリ秒単位です。デューティサイクルが小さい（< 10%）ため、平均カソード電力は低くなります（1～10kW）。ターゲットは「オフ時間」中に冷却されるため、プロセスの安定性が維持されます。^[3]

HIPIMS を維持する放電は、過渡的または準定常的な高電流グロー放電です。各パルスは、臨界持続時間までグロー放電のままで、その後アーク放電に移行します。パルス長が臨界持続時間未満に保たれると、放電は無期限に安定した状態で動作します。

2008年に行われた高速カメラ画像による最初の観測^[2]は独立して記録され、^[4]より精度が高く実証され、^[5 ]ほとんどの電離プロセスが空間的に非常に限られた電離領域で発生することが確認されました^{[6] 。ドリフト速度は10}⁴ m/sのオーダーであると測定されましたが、^[5]これは電子ドリフト速度のわずか10%程度です。

HIPIMSによる基板前処理

自動車部品、金属切削工具、装飾部品などの機械部品に薄膜を堆積させる前に、プラズマ環境で基板の前処理が必要です。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ます。これにより、高エネルギーイオン衝撃が発生し、汚染物質が吹き飛ばされます。プラズマに金属イオンが含まれている場合、それらは基板に数nmの深さまで注入される可能性があります。HIPIMSは、高密度で金属イオンの割合が高いプラズマを生成するために使用されます。フィルムと基板の界面を断面で見ると、きれいな界面が見られます。HIPIMSを前処理に使用すると、窒化物フィルムの結晶と金属基板の結晶の間にエピタキシーまたは原子レジストリが典型的に見られます。 ^[7] HIPIMSは、2001年2月にAP Ehiasarianによって初めて鋼基板の前処理に使用されました。^[8]

前処理中の基板バイアスには高電圧が使用されるため、専用のアーク検出および抑制技術が必要です。専用のDC基板バイアスユニットは、基板のエッチング速度を最大化し、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ため、最も汎用性の高いオプションを提供します。代替案としては、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します^[9]

HIPIMSによる薄膜堆積

この図は、CemeCon AG 社による炭化物基板上の HiPIMS FerroCon ツールコーティングの表面トポグラフィーと構造を電子顕微鏡で拡大して示したものです。

HIPIMSにより放電電流密度＞0.5 A⋅cm ^{−2で堆積した}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、アスペクト比1:1.2の1μmビア
の充填用途でV. Kouznetsovによって初めて報告された^[10]。

遷移金属窒化物（CrN）薄膜は、2001年2月にAP Ehiasarianによって初めてHIPIMSで堆積されました。^[11]TEM によるHIPIMSで堆積された膜の最初の徹底的な調査では、大規模な欠陥のない高密度の微細構造が実証されました。^[8]膜は硬度が高く、耐腐食性が良好で、滑り摩耗係数が低かったです。^[8]その後のHIPIMSハードウェアの商品化により、この技術はより広い科学コミュニティで利用できるようになり、多くの分野での発展が促進されました。

反応性HiPIMS

従来の反応性スパッタ堆積プロセスと同様に、HiPIMS も、以下のリストに示すように、さまざまな基板上に酸化物または窒化物ベースの膜を形成するために使用されています。ただし、これらの方法の特徴として、このような堆積のパフォーマンスには大きなヒステリシスがあり、最適な動作ポイントを検査するために慎重に検討する必要があります。反応性 HiPIMS の重要な概要は、André Anders ^[12]と Kubart らによって公開されています。^[13]

証言例

HIPIMS によって寄託された資料には、次のようなものがあります。

耐腐食性：CrN / NbN ^[14]ナノスケール多層膜
耐酸化性: CrAlYN/CrN ^[15]ナノスケール多層、Ti-Al-Si-N、Cr-Al-Si-Nナノ複合材料
光学系: Ag、TiO ₂、^[16] ZnO、^[17] InSnO、^[18] ZrO ₂、CuInGaSe
MAX相：TiSiC ^[19]
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^[9] Ti-Cナノ複合体^[20]
疎水性：HfO ₂^[21]

産業用途

HIPIMS は、特に切削工具における薄膜の堆積に業界で効果的に適用されてきました。最初の HIPIMS コーティングユニットは 2006 年に市場に登場しました。

Apple iPhone 12 Proのゴールドバージョンでは、デバイスのアンテナシステムとしても機能する構造用ステンレススチールバンドにこのプロセスが使用されています。^[22]

利点

HIPIMSコーティングの主な利点は、従来のPVDコーティングに比べて、より高密度のコーティング形態^{[23]と硬度とヤング率の比率が高いことです。同等の従来のナノ構造}(Ti,Al)Nコーティングの硬度は25GPa、ヤング率は460GPaですが、新しいHIPIMSコーティングの硬度は30GPa以上、ヤング率は368GPaです。硬度とヤング率の比率は、コーティングの靭性特性の尺度です。望ましい条件は、HIPIMSコーティングに見られるような、比較的小さいヤング率で高い硬度です。最近、Rtimiらは、HIPIMSコーティングされた表面をバイオメディカル用途に革新的に応用することを報告しました。^[24]

参考文献

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さらに読む

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外部リンク

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