HiPIMS

La pulvérisation magnétron pulsée haute puissance est une variation de la pulvérisation DC pulsée se caractérisant par une densité de puissance instantanée supérieure à 100 Wcm-2 couplée à un faible rapport cyclique limitant la charge thermique moyenne sur le magnétron. Cette configuration conduit à une décharge de haute densité, présentant un haut degré d'ionisation des particules pulvérisées. N2 10 mTorr 800 V small inversedCela rend la technologie HiPIMS attrayante pour le contrôle et l'optimisation des propriétés des couches déposées. Par exemple, il a été démontré que la présence d'un flux d'ions métalliques important dans le flux de particules déposées est bénéfique pour le prétraitement des substrats et la génération d'interfaces conduisant à une adhésion améliorée et lors de la fabrication de matériaux denses exempts de défauts et possédant une faible rugosité de surface. Le tableau 1 résume les principales différences entre les méthodes HiPIMS et les techniques classiques DCMS.

 

 

Tableau 1: Paramètres typiques d'une décharge HiPIMS et DCMS

Voltage à la cathode Densité de courrant maximale Densité de puissance maximale Densité plasma maximale Degré d'ionisation
HiPIMS 600 - 2000 V 0.5-5 A/cm2 0.5-3 kW/cm2 1018 m-3 Jusqu'à 90%
DCMS 300 - 700 V < 0.1 A/cm2 < 50 W/cm2 1015 m-3 Jusqu'à  1%

 

Les différentes sources commercialement disponibles peuvent se ranger en deux principales catégories dépendamment de leur méthode de génération de pulse en terme de forme et caractéristiques courant-voltage : (i) des pulses unipolaires rectangulaires de grande tension (600V ≥ Vc) mais de courte durée ( (ton ≤ 200 µs), communément appelé HiPIMS en anglais pour : "High Power Impulse Magnetron Sputtering", et (ii) des impulsions modulées dans le temps de plus faible amplitude (Vc ≤ 600 V ) mais de plus longue durée (500 µs ≤ ton ≤ 2000 µs), communément appelé MPPMS en anglais pour : "Modulated Pulse Power Magnetron Sputtering". La forme des impulsions et la puissance instantanée appliquées sont illustrées dans la figure ci-dessous, avec une pulvérisation DC à puissance moyenne identique (300W) à titre de référence.

 

JPD I Figure1

 Figure 1: Forme du pulse et puissance instantanée appliquée pour des dépôts HiPIMS, MPPMS et DCMS.

 

La figure 2 présente quant à elle le spectre d'émission optique moyen pour les trois modes d'application de puissance : HiPIMS, MPPMs et DCMS. Le spectre d'émission du plasma HiPIMS est dominé par les raies intenses de l'ion de niobium Nb+, ce qui indique un plus fort taux d'ionisation des particules pulvérisées dans ce plasma.



JPD I Figure5

 Figure 2: Spectres d'émission optique moyennés des plasmas HiPIMS, MPPMS et DCMS dans une décharge d'argon pur sur une cible de niobium.

Au LaRFIS, nous appliquons plusieurs de ces méthodes de pulvérisation haute densité (HiPIMS et MPPMS) afin de déposer des revêtements métalliques et diélectriques dans des réacteurs de tailles variées. Ces activités de dépôt sont complémentées par des méthodes de diagnostic électrique et optique in situ de la décharge plasma. En autre,nous effectuonsdes enquêtesapprofondies surles processusen phase gazeuselors d'impulsionsde forte puissance en utilisant la spectroscopied'émission optique, l'analyse de la densité du plasma, la spectrométrie de masse et en monitorant l'énergie des ions. Cette approchecomplexenous aide àmieux comprendre etàoptimiser les conditionsde déchargenécessairesafin de contrôlerjudicieusement nosprocédés de dépôt.

 

Voici quelques caractéristiques de nos systèmes de dépôt utilisant la technique HiPIMS:

  • Matériaux typiquement déposés: Cr, CrN, Ti, TiN, TiO2, Nb, Nb2O5, Ta2O5, SiO2, VO2, et autres
  • Tailles des réacteurs: 50 – 700 liters
  • Tailles des magnétrons : 5-10 cm de diamètre
  • Gaz: Ar, O2, N2
  • Porte substrats: 10-15 cm de diamètre, contrôlé en temperature de -20 °C à 400 °C et bias négatif allant jusqu'à 1kV induit par RF ou DC

 

Ci-dessous se trouve une vidéo du développement et de l'extinction d'une décharge HiPIMS unipolaire de 200 µs. Les deux enregistrements ont été réalisés à l'aide d'une caméra haute vitesse utilisant deux séries de filtres interférentiels passe-bande pour sélectionner les raies d'émission de l'argon et du chrome. (filtres déposés à l'aide de notre système DIBS). L'échelle temporelle est indiquée en haut de l'image sous la forme "Time of discharge", qui correspond au délai après l'initiation du pulse.
 



Cette vidéo accompagne l'article : M. Hala, N. Viau, O. Zabeida, J. E. Klemberg-Sapieha, L. Martinu, "Dynamics of reactive high power impulse magnetron sputtering discharge studied by time- and space-resolved optical emission spectroscopy and fast imaging", J. Appl. Phys., 107 (2010) 043305-1-9.

Pour plus d’informations, voir les articles ci-dessous portant sur l’imagerie plasma à travers l’utilisation de filtres interférentiels (fabriqués grâce à notre système de dépôt DIBS):

  • M. Hala, O. Zabeida, B. Baloukas, J. E. Klemberg-Sapieha, and L. Martinu, "Time- and species-resolved plasma imaging as a new diagnostic approach for HiPIMS discharge characterization", IEEE Trans. Plasma Sci., 38(11) (2010) 3035-3039.
  • M. Hala, O. Zabeida, J.E. Klemberg-Sapieha, L. Martinu, "Dynamics of HiPIMS Discharge Operated in Oxygen," IEEE Transactions on Plasma Science, 39 (2011) 2582-2583.

 

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