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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
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.
HiPMS - discharge voltage and current waveforms
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 comparing DC sputtering with HiPMS with a Ti target
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
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.
HiPMS - discharge voltage and current waveforms
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.
OES la comparación de espectros de DC pulverización catódica con HiPMS utilizando un blanco de Ti
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.
IntroductionIntroducción
IntroductionIntroducción
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
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.
HiPMS - discharge voltage and current waveforms
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 comparing DC sputtering with HiPMS with a Ti target
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
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.
HiPMS - discharge voltage and current waveforms
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.
OES la comparación de espectros de DC pulverización catódica con HiPMS utilizando un blanco de Ti
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.
HiPIMS coatings
Recubrimientos HiPIMS
HiPIMS coatings
Recubrimientos HiPIMS
HiPIMS technology opens new opportunity for the deposition of coatings with improved performance in corrosion resistance, film adhesion, oxidation resistance, optical properties, hardness etc.
Through our partners Mantis Deposition, we offer consulting services, which include:
- Understanding the basic routes to generate plasma by HiPIMS
- Characterisation of HiPIMS systems: electrical data and plasma diagnostics
- Practical guidance to the implementation and optimisation of metal as well as reactive HiPIMS processes
- Set up and initiation of a HiPIMS process
- Implementation and/or optimisation of coating recipes
Contact us for more information.
Some examples of HiPMS coatings are:
ITO coatings
- Room temperature process
- Proven better coverage of complex-shaped surfaces: coat nano-structures
- Decreased lateral resistivity by decreased intercolumnar porosity
- Decreased surface roughness
ITO coating

DLC coatings
- Film density to 2.8 g.cm-3 (comparable to that obtained from PLD)
- H-content not exceeding 10% (i.e. below the threshold for hydrogenated-DLC)
- More than 50 GPa film hardness (on Si substrates)
- Film density and sp3 bond fraction tailoring (without changing the external/applied bias)
Diffusion barriers
- Good coverage even on rough substrate materials such as steel
- Flexible choice of material: Ta, TaN, ZrN etc.
- Phase-tailoring (such as achieving α-Ta at room temperature) leads to improved performance

Hard coatings
- Exceptionally dense coatings
- Phase-tailoring (α-Al2O3 achieved at ~ 500° C) leads to improved performance
- Good coverage even on rough substrate materials such as steel

Ti samples grown by conventional DC magnetron sputtering and HiPIMS
Cross-sectional SEM image of Ti samples grown by conventional DC magnetron sputtering and HiPIMS.
The HiPIMS deposited coatings were approximately 15% denser compared to the DC sputter deposited coatings. This could be attributed to the increased metal ion bombardment commonly seen in HiPIMS discharges. The DCMS deposited sample exhibits a porous microstructure and rough surface, whereas the HiPIMS deposited sample exhibits a less pronounced columnar microstructure and a smooth surface.
La tecnología HiPIMS abre nuevas oportunidades para el sector de la deposición de cubiertas, con un rendimiento mejorado en la resistencia a la corrosión, adhesión de películas, resistencia a la oxidación, propiedades ópticas, dureza etc.
Mediante nuestros compañeros Mantis Deposition, ofrecemos servicio de consulta, el cual incluye:
- Entender las rutas básicas por los cuales se genera plasma por HiPIMS
- Caracterización de sistemas HiPIMS: datos eléctricos y diagnósticos del plasma
- Guías prácticas para la implementación y optimización de metal, además de para procesos reactivos de HiPIMS
- Iniciación de procesos HiPIMS
- Implementación y/u optimización de recetas de cubiertas
Contáctenos si desea recibir más información.
Algunos ejemplos de cubiertas HiPIMS son:
Cubiertas ITO
- Proceso a temperatura ambiente
- Cubierta mejorada probada de superficies de formas complejas: nano-estructuras de cubierta
- Resistencia lateral disminuida por porosidad intercolumnar disminuida
- Aspereza de superficie disminuida
Recubrimiento ITO

Cubiertas DLC
- Densidad de película de 2.8 g.cm-3 (comparable con la obtenida por PLD)
- Contenido-H no supera el 10%( i.e por debajo del umbral de DLC-hidrogenado)
- Dureza de película (en sustratos Si) de más de 50 GPa
- Densidad de película y enlace de fracción sp3 (sin cambiar la parcialidad externa/aplicada)
Barreras de difusión
- Buena cubierta incluso en materiales de sustrato áspero, como el acero
- Elección flexible de material: Ta, TaN, ZrN etc.
- Phase-tailoring (como obtener α-Ta a temperatura ambiente) conlleva a un rendimiento mejorado

Cubiertas duras
- Cubiertas excepcionalmente densas
- Phase-tailoring (α-Al2O3 obtenido a~ 500° C) conlleva a un rendimiento mejorado
- Buena cobertura incluso en materiales de sustratos ásperos como el acero

Muestras de Ti cultivadas convencional DC magnetrón y HIPIMS
Imagen SEM en sección transversal de muestras Ti crecido por HiPIMS y pulverización catódica DC magnetrón convencional.
Las cubiertas depositadas por HiPIMS son aproximadamente un 15% más densas que las cubiertas depositadas por pulverización catódica DC. Esto puede atribuirse al bombardamiento incrementado de iones de metal comunmente visto en descargas HiPIMS. La muestra depositada DCMS exhibe una microestructura porosa y una superficie áspera, mientras que la muestra depositada por HiPIMS exhibe una microestructura columnar menos pronunciada y una superficie lisa.
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Angle valvesVálvulas de ángulo
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