Om HiPIMS - en PVD-teknologi
Forstøvning
Forestil Dem højenergetiske partikler (ioner eller atomer), der rammer en metaloverflade ("target"). Hvad sker der? Impulsoverførslen og de mange sammenstød med target leder uundgåeligt til frigørelsen af targetatomer. Fysikerne kalder det forstøvning ("sputtering"). Det er ligesom at ramme en samling billardkugler, når et poolspil påbegyndes. Kuglerne bliver sat i bevægelse og spreder sig ud over hele bordet. I vores tilfælde sker spredningen ud fra metaloverfladen.
Deponering
Vi ønsker at targetatomerne ("kuglerne") bliver deponerede på et metalsubstrat. Det substrat, vi her tænker på, er aluminium mens targetmaterialet er titanium. Faktisk ønsker vi ikke at deponere rent titanium, men derimod titaniumdioxid, (TiO2). Denne keramiske halvleder har nemlig en udsædvanlig evne til at slå bakterier ihjel, når den udsættes for lys (en såkaldt fotokatalytisk forbindelse), og det er lige præcis dét vi AMAS-folk ønsker! TiO2'en bliver produceret ved at lade forstøvede titaniumatomer/ioner reagere med O2 molekyler i kammeret.
Hvordan man gør det
Hvordan får vi disse ting til at ske i det virkelige liv? Her er vores opskrift. Vi skal bruge...
1. Et vakuumkammer, så vores proces ikke bliver påvirket af mange forskellige gasmolekyler, der er til stede i atmosfærisk luft.
2. En inaktiv gas (som f.eks. Argon). "Inaktiv", fordi vi ikke vil have den til at reagere kemisk - hverken med target (titanium), substratet (aluminium) eller med nogen som helst af de resterende gasser i kammeret. Argon-atomerne spiller rollen som forstøvningsprojektiler.
3. Forstøvningsprojektiler. Argon-atomerne kan ikke bruges til noget, hvis ikke de bliver accellereret hen mod titaniumpladen. For at dette kan ske, skal vi bruge argonioner og et elektrisk felt. Én måde at opnå ioniserede Argon-atomer på er at bombardere gassen med hurtige elektroner. I et elektrisk felt vil du kunne "se" de postive argonioner suse afsted mod katoden ("minus-siden"). Hvis vi nu lader vores titaniumtarget være katode, vil argonionerne accellerere hen til overfladen, d.e. bombardere den, og derved fremkalde forstøvning.
4. Hurtige elektroner. Når en pulserende spænding pålægges target, bliver der skabt nogle hurtige elektroner, men på grund af forstøvningen får vi mange flere af dem, og det er faktisk lige præcis det, vi er ude efter. Disse elektroner kaldes sekundære elektroner, og de forlader target med høj energi og bombarderer Argon-atomerne. Derved skabes der nye Argon-ioner og elektroner. Under de rigtige betingelser vil genereringen af elektroner og ioner være en selvopretholdende proces, og en vedholdende sværm af elektroner og ioner vil være tilstede i kammeret (fysikerne kalder dette for "steady state"). Denne ioniske gas kaldes "plasma" (den blålige sky i kammeret nedenfor).
>>> billede af kammer
Nu er vi tæt på slutningen. Vi håber, De stadig hænger på.
5. Lange elektron-baner. Jo længere afstand en elektron bevæger sig i kammeret, jo større er sandsynligheden for et sammenstød med et Argon-atom. Da vi ønsker en stor forstøvningsrate, vil vi gerne have mange Argon-ioner. Det afhænger igen af antallet af elektroner samt deres vej gennem kammeret. Kan vi gøre banen længere? Ja, det kan vi. Det lyder lidt spekulativt, men det virker! Hvis nemlig en elektron smides ind i et magnetfelt vil den begynde at spiralere langs feltlinierne. En elektron, der bevæger sig i sådan en spiral har helt klart en længere bane end én, der følger en nærmest lineær bane.
Pålægges titaniumtarget et sådant felt opnår vi altså meget lange bevægelsesbaner for elektronerne, hvilket så øger ioniseringsraten, hvilket igen øger forstøvningsraten.
HiPIMS: En ny deponeringsteknologi
Når vi tilfører en konstant spænding (typisk 3-500 V) til katoden, kaldes processen for reaktiv magnetron-forstøvning (Reactive Magnetron Sputtering). En ny variant inden for denne metode er - direkte oversat til dansk:
"Høj effekt impuls magnetron forstøvning" (High Power Impulse Magnetron Sputtering, forkortet HiPIMS).
Høj effekt impuls: Det er de meget høje pulserende spændinger som pålægges titaniumtarget.
Magnetron: Det magnetfelt, som følger targetgeometrien og som får elektronerne til at spiralere.
Her tilføres target spændingsimpulser (typisk 800-2000V). Som en konsekvens heraf skabes en strøm af hurtige Ti+ ioner. Disse tager del i deponeringen på aluminiumsubstratet. I “almindelig“ forstøvning er kun omkring 1% af de deponerede metalarter ioner, hvorimod i HiPIMS er op til 80% ioniserede. Disse metalioner giver nye muligheder for at kontrollere og manipulere deponeringsprocessen.
Vores partner hos Teknologisk Institut, Tribologicenteret i Aarhus,
har faciliteter til at teste og producere HiPIMS-genererede belægninger.
Se deres hjemmeside her >>
HiPIMS er en af flere eksempler på fysiske deponeringsteknikker. Vi vil gennemføre meget forskning og udvikling af HiPIMS i vores bestræbelse på at blive i stand til at producere antibakterielle aluminiumover-flader til brug i europæiske industrier.
Hvis De ønsker en detaljeret videnskabelig beskrivelse af HiPIMS, foreslår vi følgende reference:
Arutiun P. Ehiasarian: "Fundamentals and applications of HIPIMS", Plasma Surface Engineering Research and its Practical Applications, 2008: 35-85,
ISBN: 978-81-308-0257-2.
