ساخت لایه‌های نازک با روشی نوین، مبتنی بر رسوب‌دهی فیزیکی بخار
اسپاترینگ مغناطیسی پالسی توان بالا (HPPMS) که از آن تحت عنوان اسپاترینگ مغناطیسی ضربه‌ای توان بالا (High Power Impulse Magnetron Sputtering, HPIMS) نیز یاد می‌شود، اخیرا به عنوان روشی نسبتا جدید برای ساخت لایه‌های نازک بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این روش با استفاده از یک ولتاژ بسیار بالا، در بازه زمانی بسیار کوتاهی انرژی روی سطح تارگت (ماده پوشش) متمرکز می‌شود تا پلاسمایی با دانسیته بالا تشکیل شود. پلاسمای تشکیل شده منجر به کسب درجه بالایی از یونیزاسیون ماده پوشش خواهد شد.
این روش اولین بار در سال ۱۹۹۹ میلادی توسط Kouznetsov ثبت اختراع شد و در بازه زمانی نسبتا کوتاهی مورد توجه بسیاری از محققان و صنایع پیشگام قرار گرفت. مزیت اصلی این روش در مقایسه با روش‌های رایج ساخت لایه‌های نازک، توانایی در ایجاد پوشش‌هایی با تراکم و صافی سطح بیشتر، و سختی بالاتر است. مزیت اصلی این روش در مقایسه با اسپاترینگ معمولی کنترل یک ولتاژ بالای پالسی بسیار قدرتمند است که بدون گرمایش بیش از حد تارگت قادر به یونیزه کردن درصد بسیار بالایی از آن است (ایجاد توده‌ی پلاسمای متراکم بدون حضور قطره‌ها در آن). این شرایط منجر به ایجاد پوشش‌هایی متراکم با چسبندگی بالا و صافی سطح زیاد خواهد شد.
ولتاژهای بالای اعمال شده در یک بازه زمانی کوتاه و افزایش سرعت یونیزاسیون ماده پوشش در این روش باعث بهبود چسبندگی پوشش به زیرلایه شده و امکان لایه‌نشانی بر روی زیرلایه‌هایی با اشکال و هندسه‌های پیچیده فراهم می‌شود. این مزایا به طور فزاینده‌ای HPIMS را به روشی محبوب برای ساخت لایه‌هایی با دانسیته بسیار بالا (لایه‌هایی با رشد ستونی و فاقد حفره) بر روی زیرلایه‌ها تبدیل خواهند کرد. این در حالی است که روش‌های رایج، پوشش‌دهی خط دید (line-of-site)، قادر به پر کردن پستی‌ها و بلندی‌های موجود بر روی زیرلایه‌هایی با شکل‌های نامنظم از قبیل دریل‌ها و دیگر ابزارهای برش نیستند.
HPIMS پلاسمایی با دانسیته‌ی بسیار بالا در رنج ۱۳^۱۰ یون بر سانتیمتر مکعب تولید می‌کند. در برخی از پژوهش‌های انجام شده گزارش شده که میزان یونیزاسیون در این روش در مقایسه با اسپاترینگ مغناطیسی معمولی تا حدود %۹۰ افزایش می‌یابد. روش مذکور ترکیبی از فناوری قوس با شدت بالا و اسپاترینگ مغناطیسی است. یک مزیت کلیدی این روش سادگی آن است، زیرا هر سیستم اسپاترینگ مغناطیسی قابلیت تبدیل شدن به HPIMS را دارد. اساسا در بیشتر موارد، تنها نیاز به استفاده از یک منبع تغذیه HPIMS است.
با اعمال پالس با شدت بالا، توده‌ی متراکمی از پلاسما از ناحیه فرسایش تارگت به سمت مگنت‌ها (مطابق شکل) گسترش می‌یابد. در بالاترین سطح تخلیه، دانسیته پلاسما می‌تواند بیش از ۱۹^۱۰ الکترون بر متر مکعب باشد. در ادامه توده‌ی پلاسمای گسترش یافته مجددا از دیواره‌ی محفظه به سمت مرکز آن انعکاس یافته که منجر به ایجاد پیک دانسیته ثانویه برای چند صد میکرو ثانیه بعد از قطع پالس الکتریکی می‌شود. در تخلیه اولیه یون‌های گازی غالب هستند، در حالی که در پیک دانسیته جزء اصلی الکترون‌های اسپاترینگ خودی (self-sputtering) هستند. در برخی از مواد پوشش، پیک بازتابنده ثانویه می‌تواند کاملا اسپاترینگ خودی باشد. به دام افتادن الکترون‌های ثانویه نقش کلیدی را در ایجاد پلاسمای متراکم ایفا می‌کند. این ویژگی HPIMS، لایه نشانی بر روی زیرلایه‌های حساس به دما را امکانپذیر می‌کند. این ویژگی ناشی از رسیدن پلاسمای سردتر به زیرلایه به دلیل افزایش یونیزاسیون حاصل از برخوردهای گاز ثانویه است.
یکی دیگر از کاربردهای مفید HPIMS انجام عملیات سطحی روی زیرلایه قبل از پوشش‌دهی به منظور بهبود چسبندگی لایه به سطح است. در این روش با بمباران سطح زیرلایه با یون‌های گازی با انرژی بالا، لایه‌هایی اکسیدی که به طور معمول روی سطح تمام زیرلایه‌ها وجود دارد برداشته می‌شود. یونیزاسیون بالای پلاسما فلزی باعث اچینگ عمیق و کاشت یون خواهد شد که برای محصولات با کارآیی بالا مانند قطعات خودرو، ابزارهای برش فلز، پوشش‌های مقاوم به خوردگی و تزئینی ایده‌آل است.
در کنار مزایای ذکر شده، HPIMS دارای معایبی نیز می‌باشد. یکی از معایب آن نیاز به توان‌های بالا است که باعث می‌شود این روش در مقایسه با اسپاترینگ مغناطیسی معمولی برای لایه نشانی با سرعت برابر به انرژی بالاتری نیاز داشته باشد. انرژی مورد نیاز برای سرعت‌های لایه نشانی برابر در مقایسه با اسپاترینگ مغناطیسی معمولی در محدوده %۸۰-۳۰ قرار دارد.
قوس زدن بر روی کاتد یا تارگت یکی دیگر از معایب HPIMS است. قوس‌های کوچک که شبیه جرقه‌هایی روی سطح تارگت دیده می‌شوند اهمیت چندانی ندارند و مشکل ساز نمی‌شوند. اما قوس‌های بزرگ شبیه به ستون‌های پلاسما هستند که از کاتد به داخل پلاسما انتشار می‌یابند. این قوس‌ها می‌توانند باعث گرمایش بیش از حد تارگت شده و میکرو قطره‌هایی را ایجاد کنند که باعث ایجاد مشکل در رشد فیلم یکنواخت شوند.
ایجاد قوس در HPIMS با خلوص تارگت، ساختار سطح، و ذرات دی‌الکتریک روی سطح که می‌توانند ولتاژ زیادی را جذب کنند و سپس با تخلیه باعث ایجاد قوس شوند، ارتباط دارد. ایجاد قوس می‌تواند همچنین متأثر از نقطه‌ی ذوب تارگت باشد. تارگت‌های با نقطه ذوب بالا مانند تیتانیوم، کروم، و تانتالیوم نرخ قوس زنی پایینی دارند، در حالی که مواد با نقطه ذوب پایین مانند مس و آلومینیوم تمایل بسیار بیشتری برای ایجاد قوس دارند.
برای بسیاری از محققان و فناوران پیشرو، HPIMS در حال تبدیل شدن به یک فناوری نو ظهور پوشش‌دهی است که در مقایسه با روش‌های لایه نشانی متداول قادر به تولید پوشش‌هایی با تراکم بیشتر، سختی بالاتر و صافی سطح بهتر است. این واقعیت که بیشتر سیستم‌های اسپاترینگ مغناطیسی موجود با اصلاح منبع تغذیه قابل انطباق با HPIMS هستند، این روش را به راه‌حلی اقتصادی برای کنترل رشد لایه نازک پیشرفته و کاربردهایی در آینده مبدل خواهد کرد.