Activitatea IV.1. Redactarea brevetului

Activitatea IV.1. Redactarea brevetului

Stadiul actual al cercetării în domeniu

Depunerea fizică din fază de vapori constituie în prezent o metodă folosită intens în multe procese industriale pentru depunerea de straturi subţiri cu diverse aplicaţii. Sunt cunoscute mai multe metode de depunere fizică de straturi subţiri în plasmă, cum ar fi: arcul catodic, arcul termoionic în vid, catodul cavitar, ablaţia laser şi, nu în ultimul rând, pulverizarea magnetron. Sistemele de pulverizare magnetron au avantajul că permit un control uşor al procesului de depunere, automatizarea tehnologiilor, posibilitatea depunerii de filme compozite folosind ţinte metalice şi amestecuri de gaze reactive, aderenţă bună a filmului la substrat, uniformitate pe suprafeţe foarte mari, costuri de operare şi intreţinere relativ scăzute. Caracteristic descărcărilor de tip magnetron este prezenţa unui câmp magnetic în imediata vecinătate a catodului care duce la confinarea electronilor într-un volum limitat din apropierea acestuia, ceea ce determină crearea unei plasme dense şi, implicit, creşterea ratei de pulverizare a materialului ţintei. Cel mai cunoscut şi folosit regim de operare a descărcării magnetron este cel în regim dc (direct current, curent continuu). Marele dezavantaj al procesului de pulverizare magnetron în regim dc constă în fluxul relativ mic de ioni ai materialului țintei (de regulă metalici) la nivelul substratului ce are ca efect obţinerea de filme cu microstructură columnară şi poroasă. Fluxul mic de ioni metalici la substrat se datorează, în principal, gradului mic de ionizare a materialului pulverizat din ţintă (câteva procente), restul materialului pulverizat din ţintă rămânând în stare atomică. Deoarece probabilitatea de ciocnire şi ionizare a atomilor pulverizaţi este proporţională cu densitatea plasmei, o creştere a densităţii plasmei în faţa ţintei ar avea ca efect o creştere a fluxului de ioni. Creşterea desităţii plasmei în faţa ţintei se poate obţine prin creşterea puterii disipate pe descărcare şi, inclusiv, pe ţintă, sau prin folosirea unor sisteme suplimentare de ionizare. Creşterea puterii electrice disipate pe descărcare conduce la creşterea densitatii plasmei şi, implicit, a gradului de ionizare a materialului pulverizat, dar puterea maximă ce poate fi aplicată pe ţintă este limitată de o serie de factori, cum ar fi supraîncălzirea şi deteriorarea ţintei, instabilităţi ale descărcării şi apariţia arcurilor electrice. Pentru creşterea performanţelor descărcării magnetron, se folosesc sisteme suplimentare de ionizare ce au ca scop creşterea gradului de ionizare a plasmei în regiunea din faţa catodului magnetron. Astfel, au fost propuse şi utilizate sisteme prin care o descărcare suplimentară de microunde, de radiofrecvenţă, sau cu catod cavitar asigură o ionizare suplimentară a plasmei din faţa ţintei de pulverizare. Fiecare dintre aceste metode are dezavantaje specifice care de asemenea limitează procesul de eficientizare a depunerilor de straturi subțiri prin metoda descărcării magnetron. O tehnică alternativă de creştere a gradului de ionizare a plasmei şi a materialului pulverizat în descărcarea magnetron a fost dezvoltată de Kuznetsov [1] folosind impulsuri electrice de înaltă putere aplicate direct pe catodul magnetron, tehnică cunoscută în literatură ca High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS). Specific sistemului de pulverizare magnetron în impulsuri de mare putere este aplicarea de pulsuri de înaltă tensiune (1- 2 kV) şi durată foarte scurtă (1-50 μs) pe catodul descărcării, cu frecvenţe relativ scăzute (100 Hz – 5 kHz) şi cu un factor mic de umplere de 0.1 -1 %, ceea ce face ca, pe durata pulsului, să se atingă densităţi de putere de ordinul a zeci şi chiar sute de kW/cm², fară a pune în pericol deteriorarea sistemului prin efecte termice.Tehnica de pulverizare HiPIMS se deosebeşte de pulverizarea magnetron convenţională (dc) prin gradul ridicat de ionizare a materialului pulverizat (de obicei > 50%), care deschide o perspectivă cu totul nouă în ingineria suprafeţelor şi materialelor. Gradul mare de ionizare a materialului pulverizat şi fluxurile energetice de ioni metalici la substrat conduc la formarea de straturi subţiri cu grad ridicat de compactitate, cu aderenţă bună la substrat şi rezistenţă la uzură, cu posibilitatea acoperirii uniforme a suprafeţelor complexe. Mai mult, gradul ridicat de ionizare a speciilor pulverizate permite un control mai uşor şi bun al creşterii filmului prin controlul energiei şi direcţiei particulelor încărcate electric folosind câmpuri electrice şi/sau magnetice [2]. Totuşi, deşi calitatea filmelor este net superioară celor obţinute în pulverizarea magnetron în regim dc, se constată că ratele de depunere a materialului pe substrat, pentru aceeaşi putere medie disipată pe descărcare, sunt mai mici decât în cazul descărcării în regim dc. Acest fapt constituie principala problemă a procesului de pulverizare de tip HiPIMS [3,4]. Scăderea ratei de depunere în HiPIMS se datorează următoarelor efecte:

efectul de reîntoarcerea a ionilor metalici la ţintă – materialul pulverizat are un grad ridicat de ionizare şi probabilitatea ca ionii metalici sa fie reîntorşi de către potenţialul puternic negativ al ţintei este mare [5];
efectul randamentului de pulverizare – dependenţa neliniară a randamentului de pulverizare de energia ionilor care bombardează ţinta face ca creşterea tensiunii pe catod cu un anumit factor să nu fie însoţită de aceeaşi creştere a randamentului de pulverizare [6];
efectul modificării compoziţiei plasmei – fenomenul de reîntoarcere a ionilor metalici este însoţit de o scădere a randamentului de pulverizare deoarece randamentul de pulverizare în cazul bombardamentului cu ioni metalici (auto-pulverizare) este mai mic decât în cazul bombardamentului cu ioni de argon [7];
efectul de transport al ionilor metalici – în plasma descărcărilor de tip HiPIMS există, pe de o parte, un puternic gradient axial de potenţial care împiedică transportul ionilor metalici cu energie mică către substrat [8] şi, pe altă parte, există şi un transport al ionilor în direcţie radială ce contribuie la pierderea lor la pereţii incintei în care este produsă descărcarea [9,10];
efectul de rarefiere a gazului – în cazul operării HiPIMS cu pulsuri lungi (>50 µs) are loc fenomenul de rarefiere a gazului (de regulă argon) în vecinătatea ţintei, fenomen ce conduce la o descreştere a densităţii de ioni de gaz disponibili pentru procesul de pulverizare catodică magnetron [11].

Rata de depunere în HiPIMS poate fi îmbunătăţită prin alegerea corespunzătoare a configuraţiei de pulsuri (durata şi frecvenţa de repetiţie a pulsurilor, amplitudinea pulsului de tensiune sau curent etc.) sau prin modificarea configuraţiei de câmp magnetic la catod sau în spaţiul dintre catod şi substrat. În general, folosirea de pulsuri scurte duce la creşterea ratei de depunere deoarece fenomenele de auto-pulverizare, de modificare a compoziţiei plasmei şi de rarefiere a gazului sunt diminuate [12]. Operarea descărcării HiPIMS cu impulsuri de foarte scurtă durată oferă posibilitatea controlării amplitudinii pulsului de curent şi, în consecinţă, a gradului de ionizare a plasmei şi a efectului de reîntoarcere a ionilor metalici la ţintă [13]. O altă metodă de îmbunătăţire a ratei de depunere este operarea descărcării HiPIMS în modul multi-puls. Modul de operare multi-puls prezintă avantajul unui grad ridicat de ionizare a plasmei în volumul descărcării şi al limitării efectului de reîntoarcere a ionilor metalici la ţintă. Mai mult, prin alegerea convenabilă a duratei dintre pulsuri, gradul de ionizare a plasmei creşte în întreg volumul descărcării conducând la creşterea conductivităţii electrice a plasmei, îmbunătăţind astfel transportul ionilor metalici către substrat [14]. Modificarea configuraţiei de câmp magnetic la catod poate avea ca efect creşterea ratei de pulverizare prin modificarea efectului de capcană magnetică din faţa catodului şi îmbunătăţirea transportului de ioni metalici către substrat. Configuraţia de câmp magnetic (forma liniilor de câmp magnetic şi valoarea inducţiei câmpului magnetic) poate fi modificată prin:

folosirea de electromagneţi în locul magneţilor permanenţi ai catodului magnetron [15];
prin modificarea poziţiei magneţilor permanenţi ai catodului magnetron (debalansarea catodului) [16];
prin aplicarea unui câmp magnetic extern folosind bobine [17,18] sau magneţi permanenţi;
prin modificarea distanţei dintre ţintă şi magneţii permanenţi ai catodului cu ajutorul unor distanţiere din material paramagnetic [19].

Rezultate experimentale care motivează propunerea de brevet

Rezultatele experimentale prezentate în rapoartele științifice anterioare, precum și cele din literatura de specialitate, au scos în evidență faptul că viteza de depunere în HiPIMS poate fi îmbunătăţită prin alegerea corespunzătoare a configuraţiei de pulsuri (durata şi frecvenţa de repetiţie a pulsurilor, amplitudinea pulsului de tensiune sau curent, modul de operare standard sau multi-puls, etc.) sau prin modificarea configuraţiei de câmp magnetic la catod sau în spaţiul dintre catod şi substrat. Astfel, prin suprapunerea unui câmp magnetic extern peste câmpul magnetic al catodului magnetron se acționează atât asupra modului de operare a magnetronului, prin modificarea regimului de echilibrare – dezechilibrare magnetică cât și asupra electronilor primari (produși la inițierea pulsului) și secundari (produși în volumul plasmei în urma proceselor de ionizare).

În cazul folosirii unui catod magnetron nebalansat de tip I, acțiunea acestui câmp magnetic extern conduce la o îmbunătățire a proprietăților straturilor subțiri depuse, în sensul creșterii gradului de cristalinitate a filmului și reducerii rugozității suprafețelor datorită creșterii fluxului de ioni energetici la substrat. Singurul incovenient al acestei tehnici este rata de depunere a materialului țintei mai mică comparativ cu cea obținută în absența câmpului magnetic extern, la aceeași valoare a puterii electrice medii disipate pe descărcare. Cauzele diminuării ratei de depunere sunt:

– modificarea compoziției plasmei odată cu creșterea valorii inducției câmpului magnetic auxiliar. Astfel, crește gradul de ionizare al atomilor metalici și prin urmare tot mai mulți ioni metalici for fi reîntorși la țintă, iar rata de autopulverizare este în general mai mică decât rata de pulverizare în cazul bombardamentului cu ioni de Ar.

– fenomenul de autopulverizare este accentuat și de creșterea barierei de potențial al plasmei odată cu creșterea lui B, fapt ce conduce la creșterea probabilității ca ionii metalici să fie redirecționați către țintă.

– modificarea regiunii de ionizare și a căderii catodice a descărcării magnetron odată cu creșterea inducției câmpului magnetic auxiliar ce are ca efect diminuarea energiei ionilor care bombardează ținta și implicit a ratei de pulverizare a materialului țintei.

Așadar, acțiunea câmpului magnetic extern conduce la o creștere a gradului de ionizare a materialui țintei dar și la accentuarea fenomenului de reîntoarcere a ionilor metalici către țintă ce are ca efect scăderea ratei de depunere.

În cazul folosirii unui catod magnetron balansat, acțiunea unui câmp magnetic extern conduce la debalansarea magnetică a acestuia. În acest caz, se constată, în general, că prin modificarea efectului de capcană magnetică, rata de depunere normată la puterea medie disipată pe descărcare poate să crească semnificativ, dar nu depăşeşte totuşi valoarea măsurată în cadrul procesului de pulverizare magnetron în regim dc [20]. Astfel, modificarea efectului de capcană magnetică în sensul micșorării capacității de reținere (confinare sau trapare) a particulelor încărcate electric (denumit și efect de slăbire a capcanei magnetice) conduce la scăderea valorii maxime a intensității curentului pe durata pulsului şi la diminuarea efectului de reîntoarcere a ionilor metalici la substrat. Pe de altă parte însă, scăderea valorii maxime a curentului pe puls conduce la diminuarea gradului de ionizare a plasmei şi, implicit, la compromiterea calităţii straturilor subţiri depuse. Prin urmare, se doreşte un procedeu HiPIMS capabil să producă straturi subţiri de bună calitate (dense, aderente şi fără imperfecţiuni) şi cu viteză de depunere comparabilă sau mai mare decât cea obţinută în descărcarea magnetron convenţională (dc).

Soluția găsită de noi și care face obiectul acestei propuneri de brevet, este folosirea unui câmp magnetic extern generat cu ajutorul unui magnet permanent plasat în apropierea unui catod magnetron balansat ce operează în regim HiPIMS. Invenția se referă la instalaţia şi procedeul de sinteză a straturilor subţiri metalice, în vederea optimizării ratei de depunere şi a proprietăţilor filmelor depuse. Instalaţia şi procedeul de depunere a straturilor subţiri folosind pulverizarea magnetron în regim pulsat de mare putere sunt descrise în această invenţie. Instalaţia şi procedeul folosit asigură crearea unei configuraţii de câmp magnetic auxiliar în spaţiul dintre catod şi substrat ce conduce la creşterea gradului de ionizare a plasmei şi la reducerea de pierderi de particule la pereţi. Prin folosirea unui câmp magnetic auxiliar, ratele de depunere ale materialelor la substrat prezintă creşteri cuprinse între 40 şi 140% faţă de cele obţinute în descărcarea magnetron în impulsuri de mare putere convenţională.

Prezenta invenţie se referă la o instalaţie şi un procedeu nou pentru sinteza straturilor subţiri folosind pulverizarea magnetron în regim pulsat, cu impulsuri de mare putere, în care ionii metalici sunt ghidaţi de un câmp magnetic auxiliar către substrat şi contribuie la formarea filmului. Ionii metalici care ajung la substrat provin din atomii pulverizaţi din ţintă, care sunt ionizaţi atunci când traversează căderea catodică a descărcării magnetron și volumul de plasmă creat între catod şi substrat. Câmpul magnetic auxiliar creat de un magnet permanent are ca efect creșterea gradului de reținere (confinare sau trapare) a particulelor încărcate cu sarcini electrice (adică o eficientizare a capcanei magnetice), creşterea gradului de ionizare a plasmei, creşterea ratei de depunere prin reducerea pierderilor de particule încărcate la pereţi şi îmbunătăţirea proprietăţilor filmelor depuse. Gradul de confinare a ionilor metalici poate fi ajustat prin modificarea distanţei relative dintre magnetul permanent şi catodul magnetron, atât magnetul cât şi catodul putând fi deplasaţi coaxial, în interiorul instalaţiei, unul faţă de celălalt. Instalaţia şi procedeul sunt adecvate pentru pulverizarea unei mari varietăţi de materiale cum ar fi: metale pure, materiale compozite (oxizi, nitruri, carburi) şi aliaje.

Descărcarea magnetron în pulsuri este asigurată de un generator special de pulsuri [21] care permite aplicarea unei tensiuni de preionizare înainte de iniţierea pulsului, obţinându-se în felul acesta pulsuri de curent de foarte mare intensitate (zeci de amperi) în intervale de timp scurte (câteva microsecunde). Camera de depunere a filmelor subţiri constă într-o incintă de lucru din oţel inoxidabil ce este depresurizată până la o presiune limită inferioară de 10^-5Pa folosind un sistem de vid alcătuit dintr-o pompă mecanică uscată şi o pompa turbomoleculară, sistem ce asigură puritatea straturilor subţiri depuse. Descărcarea magnetron foloseşte un catod de tip magnetron plan-circular, cu răcire indirectă, cu o structură standard de câmp magnetic balansat. Ţinta magnetron este confecţionată din materialul sursă al filmelor depuse (carbon, aluminiu, titan, mangan, nichel, cupru, molibden, tantal şi wolfram) în descărcarea magnetron şi se prezintă sub forma unui disc cu valori ale diametrului de 50 mm şi ale grosimii de 3 mm. Câmpul magnetic auxiliar este asigurat de către un magnet permanent cu forma toroidală (diametrul exterior – 100 mm, diametrul interior – 60 mm, înălţimea – 30 mm) plasat co-axial deasupra catodului magnetron. Parametrii definiţi ai descărcării magnetron pulsate sunt: presiunea gazului de lucru, debitul masic al argonului, amplitudinea pulsului de tensiune aplicat pe catod, frecvenţa de repetiţie a pulsului de tensiune şi durata pulsului de tensiune. Monitorizarea ratei de depunere a materialelor pulverizate se face cu ajutorul unei microbalanţe cu quartz plasată pe axul catodului, la o distanţă de 100 mm de suprafaţa ţintei. Valorile curenţilor ionici de saturaţie au fost măsurate cu ajutorul unei sonde electrostatice Langmuir, cu formă de disc, cu diametrul de 10 mm, polarizată cu -100 V faţă de masă. Instalaţia şi procedeul pentru sinteza straturilor subţiri în descărcare magnetron pulsată, asistată de câmp magnetic auxiliar, conform invenţiei, prezintă următoarele avantaje:

posibilitatea creşterii ratei de depunere şi depăşirii chiar a ratei de depunere obţinută prin pulverizare magnetron în regim dc, la aceeaşi valoare a puterii medii disipată pe descărcare, pentru majoritatea materialelor metalice, fără a diminua gradul de ionizare al materialului pulverizat;
reducerea pierderilor de particule la pereţii incintei prin ghidarea fluxului de ioni metalici către substrat;
operarea descărcării magnetron pulsate la presiuni mai joase decât cele obişnuite pentru descărcarea magnetron standard prin creşterea eficienţei de trapare a electronilor;
creşterea gradului de utilizare al ţintei;
rată mare de depunere prin aplicarea pulsurilor de foarte mare intensitate (curenţi de zeci de amperi şi tensiuni de 1 kV) pe durate de timp foarte scurte (câteva microsecunde);
îmbunătăţirea calităţii stratului depus (grad ridicat de cristalinitate, duritate şi grad de compactitate mare, aderenţă bună la substrat, valori reduse ale rugozităţii suprafeţelor) datorită unui grad ridicat de ionizare a plasmei şi obţinerea unui flux de atomi sursă cu energii cinetice mari;
costul redus al soluţiei adoptate de prezenta invenţie datorită utilizării unui magnet permanent pentru producerea câmpului magnetic auxiliar.

Se prezintă în continuare un exemplu de realizare a invenției care reprezintă instalația și procedeul de sinteză a straturilor subțiri în descărcarea magnetron pulsată cu grad ridicat de ionizare. Instalaţia conform invenţiei (Fig.1) este compusă dintr-o cameră de depunere 1 sub forma unei incinte cilindrice cu diametrul de 40 cm şi lungimea de 40 cm, din oţel inoxidabil, prevăzută cu ferestre pentru diagnoza optică și spectrală a plasmei şi treceri electrice pentru diagnoza electrică. Incinta poate fi depresurizată până la o presiune limită inferioară de 10^-5 Pa folosind un sistem pentru producerea presiunilor joase (sistem de vidare sau de depresurizare) alcătuit dintr-o pompă turbomoleculară 2 şi o pompă mecanică uscată 3. Sistemul de vidare este conectat la camera de depunere 1 prin intermediul unei trape de izolaţie 4 (Fig. 1) care permite şi reglarea vitezei de pompare. În incintă este montat un catod de tip magnetron 5, de formă plan-circulară, cu răcire indirectă şi cu o structură standard de câmp magnetic balansat. Ţinta 6 se prezintă sub forma unui disc cu diametrul de 50 mm şi grosimea de 3 mm, disc confecţionat din diferite metale (carbon, aluminiu, titan, mangan, nichel, cupru, molibden, tantal şi wolfram) de mare puritate. Ca şi gaz de lucru, este folosit argonul (puritate 99.999 %), la presiunea optimă de operare a descărcării magnetron (1 Pa), introdus în incintă cu ajutorul unui controler de debit masic 8. Descărcarea magnetron este operată în regim pulsat cu ajutorul unui generator de pulsuri cu preionizare 9 [21].

Fig 1. Schema instalaţiei pentru sinteza straturilor subţiri în descărcarea magnetron pulsată asistată de câmp magnetic extern;

Parametrii definiţi de operator ai descărcării magnetron pulsate sunt: presiunea gazului de lucru, debitul masic al argonului, amplitudinea pulsului de tensiune aplicat pe catod, frecvenţa de repetiţie a pulsului de tensiune şi durata pulsului de tensiune. Câmpul magnetic auxiliar este asigurat de către un magnet permanent 7 cu formă toroidală (diametrul exterior – 100 mm, diametrul interior – 60 mm, înălţimea – 30 mm) plasat co-axial deasupra catodului magnetron. Monitorizarea ratei de depunere a materialelor pulverizate se face cu ajutorul unei microbanţe cu quartz 10 plasată pe axul catodului, la o distanţă de 100 mm de suprafaţa ţintei. Fluxul de ioni la nivelul substartului este măsurat cu ajutorul unei electrod suplimentar (sondă electrică Langmuir) plasat în locul microbalanței.

Procedeul pentru sinteza straturilor subțiri prin depunere în descărcarea magnetron pulsată, conform invenției, folosește un câmp magnetic auxiliar, generat de un magnet permanent plasat co-axial deasupra catodului magnetron, cu scopul de a crește viteza de depunere a materialului din care este confecționată ținta și de a îmbunatăți proprietățile straturilor subțiri depuse.

În Fig.2 sunt prezentate modul de variație a valorilor componentelor axiale și radiale ale inducției câmpului magnetic măsurate la nivelul țintei funcție de distanța dintre magnetul auxiliar și catodul magnetron pentru noua structură de câmp magnetic. Magnetul permanent este poziționat astfel încât să întărească componenta axială a inducție magnetice a piesei polare exterioare și să o slăbească pe cea piesei polare centrale a catodului magnetron. Interesant este faptul că valoarea componentei radiale a inducției magnetice a catodului magnetron rămâne neschimbată, indiferent de distanța dintre catod și magnet.

Fig. 2. Valorile componentelor axiale și radiale ale inducției câmpului magnetic măsurate la nivelul țintei funcție de distanța dintre magnetul auxiliar și catodul magnetron.

Pentru a studia influența cîmpului magnetic auxiliar asupra ratei de depunere, descărcarea magnetron pulsată a fost operată cu ținta 6 confecționată din diferite materiale (carbon, aluminiu, titan, mangan, nichel, cupru, molibden, tantal şi wolfram) în atmosferă de Ar la presiunea de 1 Pa. Parametrii descărcării magnetron pulsate sunt: amplitudinea pulsului de tensiune aplicat pe catod în jur de -950 V, durata pulsului de tensiune de circa 3 μs și pentru a menține puterea medie pe descărcare constantă la 100 W, frecvența de repetiție a pulsurilor de tensiune a fost variată între 3 și 11 kHz, în funcție de natura materialului țintei. Distanța dintre catod și baza inferioară a magnetului auxiliar a fost de 40 mm iar dintre microbalanță și catod a fost de 100 mm. Ratele de depunere obținute cu ajutorul microbalanței cu quartz au fost comparate cu cele obținute la aceleași valori ale presiunii gazului de lucru și ale puterii medii disipate pe descărcare cu cele obținute în regim dc și HiPIMS în absența câmpului magnetic auxiliar. În figura 3 sunt prezentate valorile ratelor de depunere ale materialelor enumerate mai sus pentru trei moduri de operare a descărcării magnetron: pulverizare catodică de tip magnetron în curent continuu (dcMS), pulverizare catodică de tip magnetron în impulsuri de mare putere (HiPIMS) şi HiPIMS asistată de câmp magnetic auxiliar (mf-HiPIMS).

Fig. 3. Valorile ratelor de depunere ale diferitelor materiale pulverizate în: descărcarea magnetron în curent continuu (dcMS), descărcarea magnetron în impulsuri de mare putere (HiPIMS) convențională şi HiPIMS asistată de câmp magnetic (mf-HiPIMS).

Se observă o creștere substanțială a ratelor de depunere în cazul operării descărcării magnetron în regim HiPIMS asistat de câmpul magnetic auxiliar față de cazul HiPIMS convențional, pentru toate materialele folosite ca țintă, cu valoriale creșterii cuprinse între 40% şi 140%. Mai mult, pentru aceeași putere medie disipată pe descărcare (100 W), pentru carbon, aluminiu și titan, ratele de depunere în cazul descărcării HiPIMS asistată de câmpul magnetic auxiliar (mf-HiPIMS) sunt aproximativ egale cu ratele obținute în cazul pulverizării magnetron în curent continuu (dcMS), iar pentru mangan, nichel și cupru ratele de depunere în mf-HiPIMS sunt mult mai mari decât în dcMS. În continuare este prezentată influența câmpului magnetic auxiliar asupra parametrilor electrici ai descărcării magnetron operate în regim HiPIMS folosind ținta de cupru, asupra ratei de depunere, asupra gradului de utilizare al țintei și asupra proprietăților mecanice, morfologice și structurale ale filmelor subțiri. Astfel, în figura 4 sunt prezintă variațiile tipice ale tensiunii și intensității curentului electric prin descarcarea magnetron (cu țintă de cupru) pe durata unui puls de 5 µs, în absența și în prezența câmpului magnetic auxiliar. Pe durata pulsului de tensiune, intensitatea curentului electric suferă variații mari atingând valoarea maximă de 20 A în doar 5 μs.

Fig. 4. Variaţiile temporale ale tensiunii şi intensităţii curentului electric prin descărcarea magnetron pulsată pe durata unui puls, în prezenţa şi în absenţa câmpului magnetic auxiliar;

Câmpul magnetic auxiliar asigură o trapare mai eficientă a electronilor din descărcare ce are ca efect creșterea intensității curentului electric prin descărcare. Se confirmă astfel faptul că, câmpul magnetic auxiliar nu diminuează gradul de ionizare al plasmei, afirmație susținută și de măsurătorile electrice ale curentului ionic de saturație (Fig. 5).

(a)

(b)

Fig. 5. Variaţiile temporale ale curentului ionic de saturaţie (a) și dependenţa de durata pulsului a valorii medii a curentului ionic de saturaţie (b) măsurat în descărcarea magnetron pulsată în prezenţa şi în absenţa câmpului magnetic auxiliar;

Curentul ionic de saturație (Figura 5(a)), măsurat la distanța de 100 mm de suprafața țintei cu ajutorul unei sonde Langmuir polarizată la – 100 V față de împământare, suferă de asemenea modificări în prezența câmpului magnetic auxiliar. Valoarea maximului curentului ionic de sondă crește de aproximativ 3 ori în cazul prezenței câmpului magnetic auxiliar. Creșterea curentului ionic de saturație se datorează atât proceselor de ionizare de volum ale atomilor gazului de lucru și ale atomilor metalici pulverizați cât și ghidării ionilor de către liniile de câmp magnetic generate de sistemul magnetron – magnet permanent auxiliar către axa de simetrie a acestuia.

(a)

(b)

Fig. 6. Dependenţa de durata pulsului (a) și de distanța dintre țintă și magnetul auxiliar (b) a ratei de depunere a cuprului, pulverizat în descărcarea magnetron alimentată în regim dc şi pulsat, cu şi fără câmp magnetic extern;

Dependenţa de durata pulsului a valorii medii a intensității curentului ionic de saturaţie (figura 5(b)) măsurată în descărcarea magnetron pulsată în absenţa câmpului magnetic auxiliar (HiPIMS convențional) arată o variație monoton descrescătoare cu creșterea duratei pulsului de tensiune aplicat pe catod. În prezenta câmpului magnetic auxiliar, valoarea medie a curentului ionic de saturație descrește rapid in intervalul de durate ale pulsului 3 – 7.5 μs, după care crește monoton cu creșterea duratei pulsului în intervalul 7.5 – 50 μs (figura 6). După cum se poate observa, valoarea medie a curentului ionic de saturație masurat în cazul descărcării magnetron pulsate, asistată de câmpul magnetic auxiliar (mf-HiPIMS), este cu aproximativ 70% mai mare faţă de cea masurată în HiPIMS convențional pentru durate ale pulsurilor de 3 μs și de peste 100% pentru durate ale pulsurilor de 50 μs.

Pentru a găsi parametrii optimi ai pulverizării s-a studiat influența duratei pulsului de tensiune și a distanței dintre magnet și catodul magnetron asupra ratei de depunere. În figura 6(a) este ilustrată dependenţa de durata pulsului a ratei de depunere a cuprului, pulverizat în descărcarea magnetron alimentată în regim dc şi pulsat, cu şi fără câmp magnetic auxiliar. Pentru aceeași putere medie disipată pe descărcare (100 W), în prezenta câmpului magnetic auxiliar rata de depunere este mult mai mare decât cea masurată în absența câmpului, iar pentru durate foarte scurte ale pulsului de tensiune (3 – 4 μs) rata de depunere este mai mare și față de cea masurată în dcMS. Viteza de depunere descrește rapid in intervalul de durate ale pulsului 3 – 15 μs (raportul ratelor descrește de la 100% la 40%), după care crește monoton cu creșterea duratei pulsului în intervalul 15 – 50 μs (raportul ratelor crește de la 40% la 80%). În figura 6(b) este reprezentată dependenţa de distanța dintre țintă și magnetul auxiliar a ratei de depunere a cuprului, pulverizat în descărcarea magnetron alimentată în regim pulsat, cu şi fără câmp magnetic extern. Poziția catodului și a microbalanței a a fost menținută fixă, iar magnetronul a fost deplasat liniar pe direcție axială.

Fig. 7. Profilele de eroziune ale țintelor de cupru pulverizate în descărcarea HiPIMS convențională şi HiPIMS asistată de câmp magnetic extern.

În figura 7 sunt prezentate profilele de eroziune ale țintelor de cupru pulverizate în descărcarea HiPIMS convențională şi HiPIMS asistată de câmp magnetic extern. Se observă o extindere substanțială spre interiorul țintei a zonei de eroziune a materialului din care este confecționat ținta. Gradul de utilizare al țintei de Cu pulverizate în absența câmpului magnetic auxiliar este de aproximativ 18%, pe când cel al țintei pulverizate în prezența câmpului magnetic auxiliat este de aproximativ 35%. Acest efect constituie unul dintre cele mai importante beneficii ale utilizării câmpului magnetic extern, fiind de astfel și una dintre revendicările invenției.

În baza rezultatelor obținute și prezentate mai sus au putut fi formulate următoarele revendicări:

Instalație pentru obţinerea unei game largi de materiale sub formă de staturi subţiri într-o descărcare magnetron pulsată cu grad ridicat de ionizare caracterizată prin folosirea unui câmp magnetic auxiliar produs de un magnet permanent de formă toroidală, plasat co-axial între catodul unui magnetron echilibrat și substrat, la o distanță variabilă de țintă, în funcție de natura materialului țintei, de presiunea gazului de lucru și de tensiunea aplicată descărcării, care are rolul de a mări efectul de trapare a electronilor în vecinătatea țintei.
Procedeu de depunere a straturilor subțiri metalice sau a unor compusi metalici în instalația revendicată la punctul 1, caracterizat prin folosirea unui descărcări magnetron pulsate și a unui câmp magnetic auxiliar care determină creşterea ratei de depunere, în anumite condiții depăşind rata de depunere obţinută prin pulverizare magnetron în regim dc, la aceeaşi valoare a puterii medii disipată pe descărcare, pentru majoritatea materialelor metalice sau compozite.
Instalația și procedeul revendicate asigură operarea descărcării la presiuni mai joase decât cele specifice operării unei descărcări magnetron standard, ceea ce are ca efect o diminuare a împrăștierii particulelor pulverizate din țintă și o mai bună trapare a electronilor în configurația de câmpuri electrice și magnetice.
Instalația și procedeul asigură diminuarea pierderilor de particule pulverizate din țintă prin ghidarea fluxului de ioni spre substrat.
Instalația și procedeul asigură creșterea gradului de utilizare a țintei prin extinderea ariei țintei de pe care are loc pulverizarea materialului.
Instalația și procedeul asigură condițiile pentru utilizarea unor pulsuri de foarte mare intensitate (curenţi de zeci de amperi şi tensiuni de 1 kV) pe durate de timp foarte scurte (câteva microsecunde) ceea ce are ca rezultat o rată mare de depunere, un grad ridicat de ionizare a plasmei şi obţinerea unui flux de particule sursă cu energii cinetice mari, care la rândul său conduce la îmbunătăţirea calităţii stratului depus (grad ridicat de cristalinitate, duritate şi grad de compactitate mare, aderenţă bună la substrat, valori reduse ale rugozităţii suprafeţelor).
Instalația și procedeul pot fi realizate cu costuri reduse, câmpul magnetic auxiliar fiind asigurat de un magnet permanent.