High Power Impulse Magnetron Sputtering - HiPIMS
Pulverización catódica de impulso alta potencia de magnetrón - HiPIMS
High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) is a newly developed PVD technology for adhesion enhancement pretreatment and deposition of high density, high performance thin films. It is characterised by a very high pulse power density (up to 3 kWcm-2) at very low duty cycles < 5%.
The enhanced power density input in the discharge promotes the ionisation of sputtered material from the target and yields an increased instantaneous plasma density. The use of ionised sputtered target material from the plasma phase is an advantage to a number of applications, such as: substrate pre-treatment to provide crystalline coating-substrate interface with high adhesion; and the filling of trenches of semiconductor devices.
Typical characteristics
- Peak power ~ kW/cm2
- Average power ~ W/cm2
- Frequency ~ 10-1000 Hz
- Pulse width ~ 10-500 μs
- Average power ~ W/cm2
- Frequency ~ 10-1000 Hz
- Pulse width ~ 10-500 μs
Typical discharge voltage and current waveforms are shown in the adjacent graph. It can be seen that the applied voltage to the magnetron source lasts for very short period of time (~ 50 μs). However, the amount of transferred energy is enough to sustain the plasma until the next pulse.

The introduction of pulsing dramatically changes the energetics of the plasma discharge. The plasma density rises to ~ 1x10+19m-3 compared to ~1x10+16m-3 during conventional sputtering. Such an increase in plasma density results in an increased probability of ionising collisions, where sputtered material is ionised alongside process gas atoms. Some publications indicate that the fraction of ionised sputtered material reaches as high as 90%.
The OES spectrum of Ti plasma generated by HiPIMS clearly shows this trend when compared to the spectrum from normal DC magnetron sputtering. The spectra shown are from J. Bohlmark et al., J. Vac. Sci. Technol. A 23, 18 (2005).
HiPMS | DC sputtering | |
---|---|---|
Peak power density | 10+3 W.cm-2 | 1 W.cm-2 |
Current density | 1 - 10+3 A.cm-2 | 0.01 - 0.1 A.cm-2 |
Discharge voltage | 500 - 1,000 V | 500 V |
Process gas pressure | 10-3 - 10-2 mbar | 10-3 - 10-2 mbar |
Magentic field strength | 0.010 - 0.100 T | 0.010 - 0.100 T |
Electron density | 10+18 - 10+19 m-3 | 10+16m-3 |
Electron temperature | 1 - 5 eV | 1 - 7 eV |
Degree of metal ionisation | 30% - 100% | < 5% |
Ion energy (average for metal ions) |
20 eV | 5 eV |
In addition to increased number of ions, HiPIMS plasma generates ions with energies in the range of 50 eV to 100 eV (compared to only about 2 eV to 10 eV in conventional sputtering). These high energy ions transfer their energy to the coating as it grows, creating very dense coatings. Coatings deposited using HiPIMS do not have the porosity and columnar features typically found in coatings deposited using conventional sputtering techniques.

OES spectra from J. Bohlmark et al., J. Vac. Sci. Technol. A 23, 18 (2005)
The control of ion energy allows the operator to control the growing films over their phase composition, microstructure, as well as mechanical and optical properties. For example, HiPIMS coatings tend to be under compressive stress. The compressive film stress level is controllable by changing the peak power density, since the ion energy scales with peak power.
La pulverización catódica de impulso alta potenia de magnetrón (HiPIMS) es una nueva tecnología PVD que ha sido desarrollada para el pre-tratamiento de realzamiento de adhesión y deposición de películas de alta densidad y alto rendimiento. Está caracterizado por una densidad de potencia de pulso muy alto (hasta 3 kWcm-2 a ciclos de trabajo muy bajos <5%.
La entrada de densidad de potencia realzada en la descarga promueve la ionización de material pulverizada catódicamente desde el blanco y produce una densidad de plasma incrementado instantáneamente. El uso de material del blanco ionizado y pulverizado catódicamente de la fase del plasma, es algo ventajoso para un número de aplicaciones, como: pre-trataniento del sustrato para aportar interfaz con alta adhesión de cubiertas cristalinas de sustrato; y el relleno de trincheras de aparatos semiconductores.
Características típicas
- Potencia máxima ~ kW/cm2
- Potencia media ~ W/cm2
- Frecuencia ~ 10-1000 Hz
- Amplitud del pulso ~ 10-500 μs
- Potencia media ~ W/cm2
- Frecuencia ~ 10-1000 Hz
- Amplitud del pulso ~ 10-500 μs
Typical discharge voltage and current waveforms are shown in the adjacent graph. It can be seen that the applied voltage to the magnetron source lasts for very short period of time (~ 50 μs). However, the amount of transferred energy is enough to sustain the plasma until the next pulse.

La introducción del pulsamiento cambia drásticamente los energéticos de la descarga del plasma. La densidad del plasma aumenta hasta ~ 1x10+19m-3comparado con ~1x10+16m-3 durante la pulverización catódica convencional. Tal incremento en la densidad del plasma resulta en una probabilidad incrementada de colisiones iónicas, donde el material de pulverización catódica es ionizado al lado de átomos gaseosos de proceso. Algunas publicaciones indican que la fracción de material ionizado de pulerización catódica llega hasta al 90%.
El espectro OES de plasma Ti generado por HiPIMS muestra claranente este patrón cuando se compara con el espectro de la pulcevrización catódica normal DC de magnetrón. Los espectros mostrados son de J. Bohlmark et al., J. Vac. Sci. Technol. A 23, 18 (2005).
HiPMS | Pulverización catódica DC | |
---|---|---|
Densidad de potencia pico | 10+3 W.cm-2 | 1 W.cm-2 |
Densidad de corriente | 1 - 10+3 A.cm-2 | 0.01 - 0.1 A.cm-2 |
Voltaje de descarga | 500 - 1,000 V | 500 V |
Presión de gas de proceso | 10-3 - 10-2 mbar | 10-3 - 10-2 mbar |
Fuerza del campo magnético | 0.010 - 0.100 T | 0.010 - 0.100 T |
Densidad de electrón | 10+18 - 10+19 m-3 | 10+16 m-3 |
Temperatura de electrón | 1 - 5 eV | 1 - 7 eV |
Grado de ionización metálica | 30% - 100% | < 5% |
Energía de ion (media para iones metálicos) |
20 eV | 5 eV |
Además de un número incrementado de iones, el plasma de HiPIMS genera iones con energías dentro del rango de 50 eV a 100 eV (comparado con unos 2 eV a 10 eV en pulverización catódica convencional). Estos iones de alta energía, transfieren su energía a la cubierta mientras crece, creando cubiertas muy densas. Cubiertas depositadas usando HiPIMS no tienen la porosidad y características columnares típicamente encontradas en cubiertas depositadas con técnicas de pulverización catódica convencionales.

El control de la energía iónica permite que el operador controle las películas crecientes sobre su composición de fase, microestructura, además de propiedades mecánicas y ópticas. Por ejemplo, cubiertas HiPIMS tienden a estar sometidos a estrés de compresión. El nivel de estrés de compresión de la película se puede controlar cambiando la densidad de potencia máxima.