În această etapă, straturi subțiri de nitrură de wolfram WN, cu conținut de N cuprins între 19.4–50 at.% au fost obținute cu ajutorul pulverizării reactive HiPIMS. Concentrația de N din filme a fost controlată modificând rapoartele debitelor masice ale azotului și argonului. Compoziția chimică, morfologia și structura straturilor subțiri obținute au fost investigate cu ajutorul spectometriei Rutherford Backscattering, microscopiei de forte atomică și difracției de raze X. Dependența concentrației de azot din filme de raportul debitelor masice de azot și argon este prezentată în Figura 18. Rezultatele analizei spectometriei Rutherford Backscattering arată că conținutul de azot din filme poate fi ușor controlat în intervalul 19.4 – 50 at.% prin modificarea raportului debitelor masice înte 0.1 și 1 (Figura 18). Acest lucru este posibil deoarece în descărcarea HiPIMS atât metalul pulverizat cât și atomii gazului de lucru au un grad ridicat de ionizare, ceea ce conduce la îmbunătățirea reactivității suprafeței filmului depus și la controlul ușor al compoziției chimice a acestuia.
|
|
Figura 18. Dependența concentrației de azot din filme de raportul debitelor masice N2/Ar.
Cu ajutorul spectrometriei de masă s-au obținut funcțiile de distribuție energetică ale ionilor metalici și a celor de azot pulverizați în descărcarera magnetron ce funcționează în regim dc, standard HiPIMS (s-HiPIMS) și multi-puls HiPIMS (m-Hipims), în amestec Ar și N2, la presiunea totală de 1 Pa și puterea medie de 100 W. Experimentele s-au efectuat utilizând instalația experimentală MS 400 construită în cadrul proiectului. S-a folosit o țintă de wolfram pe care s-au aplicat, pentru modul de operate m-HiPIMS, secvențe de 5 micro-pulsuri de înaltă tensiune (U = – 1 kV), fiecare cu durata de 2 µs, decalate unele față de altele cu 50 µs, iar pentru modul s-HiPIMS, pulsuri cu durata de 10 µs. Frecvența de repetiție, atât în modul m-HiPIMS cât și în modul s-HiPIMS, a fost setată astfel încât să se mențină aceeași putere medie pe descărcare de 100 W. Pentru modul de operare dc, valoarea tensiunii a fost de 300 V iar cea a curentului de 0.333 A. Distribuția energetică a ionilor a fost înregistrată cu un spectrometru de masă, echipat cu un modul de analiză energetică a ionilor (EQP 1000 Hiden Analytical), plasat la o distanță de 10 cm față de suprafața țintei. Se observă astfel că distribuțiile energetice ale ionilor de W pulverizați în m-HIPIMS sunt mult mai largi decât cele obținute în regim dc sau s-HiPIMS și conțin o fracție mult mai mare atât de ioni termalizați cât și de ioni energetici (aproximativ 10% cu Ei > 20 eV). Fluxul de ioni de W (calculat ca integrala funcției de distribuție după energie) este de aproximativ 10 ori mai mare decât cel masurat în cazul pulverizării magnetron în curent continuu (Figura 19).
|
(a) |
(b) |
Figura 19. Funcțiile de distribuție energetică ale ionilor de W (a) și N (b) în descărcarea magnetron ce funcționează în regim dc și HiPIMS, în Ar la presiunea totală de 1 Pa și puterea medie disipată pe catod de 100 W.
Funcțiile de distribuție după energie ale ionilor atomici și moleculari de azot sunt mult diferite de cele ale ionilor de W. În cazul pulverizării HiPIMS, funcția de distribuție a ionilor de N prezintă un maxim în jurul valoriide 1 eV și o partea energetică ce se extinde până la 80 eV. Această parte energetică este atribuită atomilor de N pulverizați de pe ținta acoperită cu compus, atomi ce sunt apoi ionizați în plasma densă a descărcării HiPIMS. De asemenea, partea energetică a funcției de distribuție poate fi formată și din ionii de azot N+ ce rezultă în urma procesului de disociere a ionilor moleculari de azot care sunt accelerați către țintă și apoi retroîmprăștiați. Pe de altă parte, funcția de distibuție a ionilor moleculari de azot N2+ este mult mai îngustă și formată doar din ioni cu energie mică formați prin ionizarea gazului molecular în descărcarea HiPIMS. Funcțiile de distribuție energetică ale ionilor de N măsurate în descărcarea magnetron în current continuu arată că atât fracțiile de ioni energetici cât și energiile maxime detectate sunt cu mult mai mici decât în cazul descărcării HiPMS. Fluxul de ioni atomici de azot măsurat în descărcarea HiPIMS este de 60 de ori mai mare decât în cazul descărcării magnetron în current continuu. Densitatea mare de electroni din descărcarea HiPIMS facilitează disocierea gazului molecular, iar acest process este benefic pentru depunerea de compuși prin pulverizare reactivă. Așadar, compoziția plasmei, fracția de ioni energetici și energia maximă a acestora depind puternic de modul de operare al descărcării magnetron. Descărcarea HiPIMS asigură un grad ridicat de ionizare atât a atomilor pulverizați cât și a atomilor gazului de lucru, iar fluxurile energetice de ioni ce ajung la substrat conduc la depunerea de straturi subțiri aderente, dense și cu valori ale rugozității foarte mici.
Rezultatele obținute sunt acceptate spre publicare în Journal of Nuclear Materials: “Tungsten Nitride Coatings Obtained by HiPIMS as Plasma Facing Materials for Fusion Applications”.