Enhanced ionized sputtering in HIPIMS

The present paper aims to shortly review a relatively new approach to magnetron sputtering, namely “enhanced ionization sputtering” (EIS) or as it is more commonly known “High Power Pulsed Magnetron Sputtering“ (HIPIMS). The EIS concept describes a range of plasmas that have the common features of exhibiting a higher (than what is commonly known) plasma density and a higher ionization fraction of sputtered and gas atoms in the discharge. The somewhat unique properties are the result of pulsing a sputtering source (target) power at a low frequency ranging from a few tens to a few hundreds of Hz and a low duty time of less than 10 %. Consequently, plasma electron densities 2 to 4 orders of magnitude higher than densities in conventional sputtering plasmas can be achieved, while the corresponding ionization fractions of the target material reach up to 90 % for Ti, for example. As will be shown in the present paper, EIS is described as an approach to sputtering that provides new means and a realm of possibilities to develop coating solutions not possible otherwise. This implies that there is not a single description of a HIPIMS plasma, rather a concept for ionization (EIS) that should be used according to the needs of the application in hand. Nevertheless, for the purpose of simplicity, HIPIMS should describe in the present paper both the concept and the technique. Ionenunterstutztes Sputtern in HIPIMS In dem vorliegende Artikel wird uber neue Erfahrungen bei Sputterprozessen mit hoher Ionendichte („Enhanced Ionization Sputtering”, EIS) – besser bekannt unter dem Namen “High Power Pulsed Magnetron Sputtering” (HIPIMS) – berichtet. Das EIS-Konzept beschreibt einen Bereich des Plasmas in dem eine hohere Plasmadichte vorherrscht als in konventionellen Plasmen und in dem sowohl der Ionisationsgrad der Gasteilchen als auch der gesputterten Atome groser ist. Diese besonderen Eigenschaften des Plasmas resultieren aus der Pulsung der Leistung an der Sputterquelle (Target) im Frequenzbereich von einigen zehn bis hundert Hz und einer kurzen Arbeitszyklusdauer (duty time) von ca. 10 %. Dies kann bei entsprechender Ausstattung des Pulsers (z.B. iPulse, INI coatings Ltd.) zu enormen hohen (∼5 A/cm2) Stromdichten fuhren. Die daraus resultierenden Elektronendichten konnen zwei bis vier Grosenordnungen hoher sein als die mit konventionellen Sputterplasmen erzielten, wahrend der korrespondierende Ionisationsgrad des Targetmaterials beispielsweise bis zu 90 % fur Ti reicht. Die EIS-Plasmen eroffnen damit vielzahlige Moglichkeiten fur Beschichtungen, die mit herkommlichen Plasmen nicht erreicht werden konnen. So kann dann auch nicht von dem HIPIMS-Plasma an sich gesprochen werden, sondern eher von einem Konzept fur Ionisation (EIS), das unter Berucksichtigung der jeweiligen Anwendungsanforderung angepasst werden muss. Zur Vereinfachung wird der Begriff HIPIMS in diesem Artikel sowohl fur das Konzept als auch die Technik verwendet.