KJLC Integrated HIPIMS Technology

Übersicht

The Kurt J. Lesker Company® is a leader in fully integrated HIPIMS technology. With a concentrated approach over the past 7+ years working with HIPIMS, the Kurt J. Lesker company has not only discovered various process advantages for HIPIMS, but also developed full integration of this technology into our standard system platforms. Due to the high level of parameter space in HIPIMS technology and the need to adjust these parameters to find optimal process performance, having a way to adequately monitor and change parameters insitu dramatically improves the ability and speed in which researchers and process technicians can find success.

The Kurt J. Lesker HIPIMS designs exclusively utilize bipolar pulsing for increased ionization which results in higher performance in density and hardness.

Merkmale

• Integrated bipolar positive pulsing for precision control of ion energy to engineer thin-film properties
• Ultra-fast pulsing allows usec current pulses at 100's A peak current to access high A/cm² dense HiPIMS plasmas
• Pulsing frequency up to 10 kHz
• Leicht zu sputterende Metalle wie Kupfer und Aluminium können mit hohen Spitzenströmen bei niedrigerer Wiederrate gefahren werden. More difficult metals or dielectrics can be effectively managed at high-repetition rate with lower peak currents
• Up to 600 A peak current capability for power handling and high deposition rate
• Vom Benutzer wählbar: Pulsbreite, Frequenz und Spitzenstrom
• Lichtbogenerkennung und -unterdrückung

Prozesse

• Einfache Möglichkeit, bestehende DC-Sputtersysteme für HiPIMS/HPPMS und reaktive Funktionalität aufzurüsten

Additional Options

• Ask about integrated Oscilloscope options
• Full process integration to system software on all Kurt J. Lesker systems

Anwendungen

• High Power Impulse Magnetron-Sputtern
• High Power Gepulstes Magnetron-Sputtern (HiPIMS/HPPMS)
• Fortschrittliche Beschichtungen für universitäre, industrielle und F&E-Anwendungen
• Dichte Materialien mit hoher Härte, nichtporöse Schichten und hochwertige optische Beschichtungen
• Ideal für 2", 3" und 4" Magnetrons, die eine hohe Impulsleistung und Impulsflexibilität erfordern

DLC Beschichtungen: DLC-Beschichtungen (diamantähnliche Kohlenstoffbeschichtung) sind Nanokompositbeschichtungen mit einzigartigen Eigenschaften der geringen Reibung natürlicher Diamanten, hoher Härte und hoher Korrosionsbeständigkeit.

Aktuelle Studien haben gezeigt, dass DLC-Beschichtungen mithilfe der HIPIMS-Technologie optimiert werden können. Das höhere Niveau des ionisierten Materials, das in HIPIMS wegen der höheren Plasmadichten produziert wird, erhöht die Schichtedichte und -härte, die zu viel höheren Niveaus der sp3 Orbitale in DLC Schichten führt.

REM-Aufnahmen von dünnen Kohlenstoffschichten

500 nm dicker Kohlenstoff abgeschieden mittels üblichem DC-Magnetron-Sputtern: Zeigt eine körnige, poröse Schicht.

1 μm dicker Kohlenstoff abgeschieden im HIPIMS-Verfahren: Zeigt eine sehr dichte, glatte Schichtstruktur.

Der Querschnitt auf der linken Seite zeigt ein Beispiel für typisches DC-Magnetron-Sputtern von Kupfer. Auf der rechten Seite wird aufgezeigt, dass HiPIMS die Möglichkeit bietet, die gesputterten Ionen zu kollimieren und sie in Strukturen mit größerem Aspektverhältnis zu leiten.

Beschichtungen bei großem Aspektverhältnis

Beschichtungsanforderungen, die nicht flache Substrate mit kleinen oder schweren Gräben betreffen. Das Ziel besteht darin, Strukturen mit größerem Aspektverhältnis besser zu beschichten, was mit klassischem Sputtern nicht erreicht werden kann.

Zusätzlicher Substrat-Bias

Ein negativer Substrat-Bias zieht erzeugte positive Ionen in der Kammer an. Dies ermöglicht es Ihnen, eine zeitlich abgestimmte DC-Vorspannung zu pulsieren, um entweder die Metall-gesputterten Ionen oder die Argon-Ionen an das Substrat anzuziehen.

Diese Technik ist ideal für Beschichtungsanwendungen mit hohem Seitenverhältnis.

REM-Aufnahme einer Probe mit extremem Aspektverhältnis von 30:1, die bei der Kurt J. Lesker Company mit dem HIPIMS-Verfahren beschichtet wurde (*Daten/Probe bereitgestellt durch Dr. Fred Newman von der Universität Washington)

Oberseite des Vias (Grüne Markierung zeigt die Dicke der Kupferschicht an)

Boden des Vias (Grüne Markierung zeigt die Dicke der Kupferschicht an)

Zusammenfassung:

Gesputterte Targetatome, die ionisiert sind, können potentiell in Strukturen mit großen Aspektverhältnis geführt werden. Ein Bias am Substrat erhöht die Effektivität des HIPIMS-Prozesses. Die Effektivität der HIPIMS-Prozess zur Beschichtung von Strukturen mit großen Aspektverhältnis hängt auch vom Material ab, da sich verschiedene Materialien beim Sputtern in deren Verhältnis von gesputterten Ionen zu Neutralen unterscheiden. Erste Ergebnisse aus dem ersten Versuch sind ermutigend für eine vollständige Abdeckung in einem 30:1 Seitenverhältnis-Feature.

Gut für reaktives Sputtern

Elektronenrückfluss: Die Elektronen wandern auf die Targetoberfläche zurück und laden Oxid- und Nitridpartikel auf der Oberfläche auf, um sie beim nächsten Impuls zu "abzureinigen"

Ionenrückfluss: Ionen gehen zurück zur Anode um Oxide und Nitride zu sputtern, was die Elektrode reinigt und Phänomene einer "verschwindenden Anode" abmildert - wie auch beim Sputtern mit gepulstem Gleichstrom aber besser.

Erhöht die Depositionsrate und verändert die Schichtspannung

Depositionsrate steigt um 15 %

KICK Parametereinstellung (0-200V, Zeit)

Wie lässt sich der positive Puls verändern?

Spannungsreduktion & Änderung der Schichtmorphologie

Auch in der Morphologie sind Änderungen sichtbar

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Leistung

Als HIPIMS zum ersten Mal im Markt eingeführt wurde, sollte es eine Technologie zur Bereitstellung verbesserter Schichteigenschaften für großtechnische Produktionsanwendungen werden. Die Netzteile waren sehr groß und die Kosten für die F&E-Gemeinschaft zu hoch. However, with the recent release of R&D scale supplies, HIPIMS technology is being used on a much wider range of applications and the results are nothing less than impressive!

Während des Impulses erreichen extreme Leistungsdichten (einige kW/in2) das Target. Aufgrund der hohen Plasmadichten wird ein großer Anteil des gesputterten Materials ionisiert, aber die zeitlich gemittelte Leistung bleibt auf einem akzeptablen Niveau, um das Sputtertarget oder die Magnetron-Sputterkathode nicht zu beschädigen

Dies führt zu Schichten mit höherer Dichte, glatteren Oberflächen, höheren Brechungsindizes, modifizierten kristallinen Strukturen, erhöhter Härte usw.

Die folgenden REM-Beispiele zeigen die Unterschiede zwischen Schichten, die mit HIPIMS oder DCMS hergestellt wurden, bei gleichen Durchschnittsleistungen und -parametern.

(Links) Herkömmliche dcMS-Kupferdeposition auf Silizium mit rauer Oberflächenmorphologie globulärer Mikrostruktur.
(Right)IMPULSE® 2-2 HiPIMS deposition at same 500W, 10mTorr conditions showing dense, non-porous nanostructure.
Während die Betriebsparameter in beiden Filmen identisch sind, ist die Qualität der Schichten völlig unterschiedlich und bemerkenswert,

REM-Querschnitte zeigen eine säulenförmigen Struktur mittels DC und eine dichte, glasartige
NiCr²-Struktur mittels HiPIMS

Beim DC-Sputtern ist das Wachstum von säulenartigen Schichten bei vielen Sputter-Anwendungen sowohl zu erwarten als auch akzeptabel. Es gibt aber auch eine Reihe von Anwendungen, bei denen dies nicht der Fall ist. Wenn glatte, dichte Folienqualitäten gewünscht oder gefordert sind, kann HIPIMS eine ausgezeichnete Option sein. Now, with the introduction of smaller scale R&D size supplies, HIPIMS technology can be easily and cost effectively added to any existing sputtering system.

Die folgenden REM-Bilder zeigen den Schichtvergleich eines CdO-Sputterprozesses mit RF und HIPIMS (reaktives Sputtern). In dieser speziellen Anwendung schied der Kunde CdO ab für Solar-, Plasmonensensoren und die Anwendung in Polariton-IR-Geräten. Diese Anwendungen beruhen auf der einzigartigen Fähigkeit von Donor-dotierem CdO, eine sehr hohe Mobilität und eine hohe Ladungsträgerdichte bereitzustellen. RF-Sputtern war anfangs das bevorzugte Verfahren, da es schwieriger war, vollständig oxidiertes Cd aus einem DC-Plasma zu erhalten

Nach dem Versuch, mit HIPIMS zu arbeiten, stellte sich jedoch heraus, dass im Vergleich aller Schichteigenschaften und -Strukturen das HiPIMS Plasma eine überlegene Struktur erreichte.

• Höhere Leistungsdichte
• Glattere Oberflächen
• extreme Depositionsraten
• vollständigere Oxidation
• kein Anion-Sputtern
• ausgezeichnete Reproduzierbarkeit
• kann RF-Magnetron (Dotierquelle) gleichzeitig betreiben

AFM Vergleich

RMS = 30nm

90 min Deposition
300 nm CdO auf Saphir
RF-Magnetron

RMS = 1.5nm

10 min Deposition
größere Kristallgröße
300 nm CdO auf Saphir
HIPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering)

Dicke CdO-Schichtdeposition

Draufsicht

3 Mikrometer dickes CdO
Depositionsrate: 60 nm/min
Oberflächenrauheit: 5 nm RMS

Querschnitt

CdO
Dichte kolumnare Mikrostruktur
Saphir

Wichtig zu verstehen ist, wie einfach und effektiv sich Prozesse in Ihrer Leistung von einem Labormodul auf Anwendungen im Produktionsmaßstab skalieren lassen. Through some collaboration with the Fraunhofer IST facility, HIPIMS films with the HIPIMS IMPULSE® were run with Copper and then compared the parameters that are relative to their larger scale supplies.

The results show that the HIPIMS IMPULSE® supply scales very similarly to what is typical with larger supplies, which is unique in comparison to other results seen with smaller R&D units.

Kupfer, f=333 Hz, t_bei=50 µs

Kupfer, f=333 Hz, U_Ladung=550V

Beschichtungen mit großen Aspektverhältnis sind eine weitere Option, die mit der HIPIMS-Technologie untersucht und zugänglich gemacht wird. Jüngste Tests haben gezeigt, dass HIPIMS selbst bei der Beschichtung von Strukturen mit extremsten Aspektverhältnissen sehr effektiv ist.

SEM images of Carbon coating with HIPIMS (IMPULSE® power supply)

1 µm

2 µm

100nm

500nm

SEM-Bildaufnahmen einer Kohlenstoffbeschichtung mit DC-Magnetron-Sputtern

2 µm

300nm

400nm

500nm

Downloads und Dokumente

Published Papers

• Plasma Studies of a Linear Magnetron Operating in the Range from DC to HiPIMS - Andre Anders, Yuchen Yang
• Cu Films Prepared by Bipolar Pulsed High Power Impulse Magnetron Sputtering - Baohua Wu, Ian Haehnlein, Ivan Shchelkanov, Jake McLain, Dhruval Patel, Jan Uhlig, Brian Jurczyk, Yongxiang Leng, David N. Ruzic

KJLC HiPIMS Quick Start guide

• HiPIMS Quick Start Guide

Fotogalerie

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