Beim gepulsten Hochleistungsmagnetronsputtern (HiPIMS) wird in der Regel eine hohe Spitzenspannung in kurzen Impulsen mit Impulsdauern von 50 bis 200 Mikrosekunden und Frequenzen um 500 Hz angelegt. Das Tastverhältnis beträgt in der Regel weniger als 10 %, d. h. die "Ein"-Zeit des Pulses ist wesentlich kürzer als die "Aus"-Zeit zwischen den Pulsen.
Ausführliche Erläuterung:
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Hohe Spitzenspannung: Die bei HiPIMS angelegte Spannung ist durch hohe Spitzenwerte gekennzeichnet. Diese hohe Spannung ist notwendig, um die hohen Leistungsdichten zu erreichen, die für ein effizientes Sputtern erforderlich sind. Die genaue Spannung kann je nach Aufbau und Materialien variieren, liegt aber im Allgemeinen im Bereich von 100 V bis 3 kV, wie in der Referenz für einen typischen modernen Magnetron-Sputter-Coater angegeben.
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Kurze Pulsdauern: Die Pulse bei HiPIMS sind sehr kurz, typischerweise zwischen 50 und 200 Mikrosekunden. Diese kurze Dauer ermöglicht die Konzentration der Energie in einem kurzen Zeitraum, was die Ionisierung der gesputterten Teilchen verstärkt und zu einem höheren Ionisierungsgrad im Vergleich zum kontinuierlichen DC-Sputtern führt. Dieser hohe Ionisierungsgrad ist für die Verbesserung der Schichtqualität und der Haftung von Vorteil.
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Niedrige Frequenz und Einschaltdauer: Die Frequenz der Pulse bei HiPIMS ist relativ niedrig, etwa 500 Hz, und das Tastverhältnis beträgt weniger als 10 %. Ein niedriges Tastverhältnis bedeutet, dass das System die meiste Zeit im "Aus"-Zustand verbringt, was eine Abkühlung und Stabilisierung zwischen den Impulsen ermöglicht. Dieser intermittierende Betrieb trägt dazu bei, die Temperatur zu kontrollieren und thermische Schäden an Target und Substrat zu vermeiden.
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Betriebsmodi: Je nach Pulsdauer und -frequenz kann das HiPIMS-System entweder im Spannungs- oder im Strommodus arbeiten. Im Spannungsmodus, der für kürzere Pulse und höhere Frequenzen typisch ist, liegt der Schwerpunkt auf schnellen Spannungsänderungen zur Beschleunigung der Ionen. Im Strommodus, der bei längeren Pulsen und niedrigeren Frequenzen häufiger vorkommt, hält das System einen konstanten Strom aufrecht, um den Sputterprozess aufrechtzuerhalten.
Schlussfolgerung:
Der Spannungspuls bei HiPIMS ist so ausgelegt, dass die Leistungsdichte auf dem Target maximiert und gleichzeitig der Gesamtenergieeintrag und die thermischen Auswirkungen minimiert werden. Erreicht wird dies durch die Verwendung hoher Spitzenspannungen, kurzer Pulsdauern, niedriger Frequenzen und eines geringen Tastverhältnisses. Dadurch werden nicht nur die Abscheiderate und die Schichtqualität verbessert, sondern auch eine bessere Kontrolle über den Abscheideprozess gewährleistet, was HiPIMS zu einer vielseitigen und effektiven Methode für die Dünnschichtabscheidung macht.
