Nr. 1 Princip for højeffektspulseret magnetronsputtering
Højeffekts pulseret magnetronsputteringsteknik bruger høj peak pulseffekt (2-3 størrelsesordener højere end konventionel magnetronsputtering) og lav pulsduty cycle (0,5%-10%) for at opnå høje metaldissociationshastigheder (>50%), hvilket er afledt af magnetronsputteringsegenskaberne, som vist i billede 1, hvor peak-målstrømtætheden I er proportional med den eksponentielle n'te potens af udladningsspændingen U, I = kUn (n er en konstant relateret til katodestrukturen, magnetfeltet og materialet). Ved lavere effekttætheder (lav spænding) er n-værdien normalt i området 5 til 15; med den stigende udladningsspænding stiger strømtætheden og effekttætheden hurtigt, og ved høj spænding bliver n-værdien 1 på grund af tabet af magnetfeltindespærring. Ved lave effekttætheder bestemmes gasudladningen af gasioner, der er i den normale pulserede udladningstilstand; Hvis andelen af metalioner i plasmaet øges ved høje effekttætheder, og nogle materialer skifter, dvs. i selvsputteringstilstand, dvs. plasmaet opretholdes ved ionisering af sputterede neutrale partikler og sekundære metalioner, og inerte gasatomer såsom Ar bruges kun til at antænde plasmaet, hvorefter de sputterede metalpartikler ioniseres nær målet og accelereres tilbage for at bombardere det sputterede mål under påvirkning af magnetiske og elektriske felter for at opretholde den høje strømudladning, og plasmaet er stærkt ioniserede metalpartikler. På grund af sputteringsprocessens opvarmningseffekt på målet, må effekttætheden, der påføres direkte på målet, ikke være for stor for at sikre stabil drift af målet i industrielle applikationer. Generelt bør direkte vandkøling og målmaterialets termiske ledningsevne være under 25 W/cm2. Indirekte vandkøling, målmaterialets termiske ledningsevne er dårlig, målmaterialet er fragmenteret på grund af termisk stress eller målmaterialet indeholder lavflygtige legeringskomponenter, og i andre tilfælde kan effekttætheden kun være under 2 ~ 15 W/cm2, hvilket er langt under kravene til høj effekttæthed. Problemet med overophedning af målet kan løses ved at bruge meget smalle højeffektpulser. Anders definerer højeffektpulseret magnetronsputtering som en form for pulseret sputtering, hvor den maksimale effekttæthed overstiger den gennemsnitlige effekttæthed med 2 til 3 størrelsesordener, og målionsputtering dominerer sputteringprocessen, og målsputteringsatomerne er stærkt dissocierede.
Nr. 2 Karakteristika for højeffektspulseret magnetronsputteringbelægningsaflejring
Højeffektspulseret magnetronsputtering kan producere plasma med høj dissociationshastighed og høj ionenergi og kan anvende biastryk for at accelerere de ladede ioner, hvorefter belægningsaflejringsprocessen bombarderes af højenergipartikler, hvilket er en typisk IPVD-teknologi. Ionenergien og -fordelingen har en meget vigtig indflydelse på belægningskvaliteten og -ydeevnen.
Om IPVD, baseret på den berømte Thorton-strukturmodel, foreslog Anders en strukturmodel, der inkluderer plasmaaflejring og ionætsning, og udvidede forholdet mellem belægningsstruktur og temperatur og lufttryk i Thorton-strukturmodellen til forholdet mellem belægningsstruktur, temperatur og ionenergi, som vist i billede 2. I tilfælde af lavenergi-ionaflejringsbelægning overholder belægningsstrukturen Thorton-strukturzonemodellen. Med stigende aflejringstemperatur går overgangen fra region 1 (løse porøse fiberkrystaller) til region T (tætte fiberkrystaller), region 2 (søjleformede krystaller) og region 3 (omkrystalliseringsregion); med stigende ionenergi falder overgangstemperaturen fra region 1 til region T, region 2 og region 3. Fiberkrystaller med høj densitet og søjleformede krystaller kan fremstilles ved lav temperatur. Når energien af de aflejrede ioner stiger til størrelsesordenen 1-10 eV, forbedres bombardementet og ætsningen af ioner på den aflejrede belægningsoverflade, og belægningernes tykkelse øges.
Nr. 3 Fremstilling af hårdt belægningslag ved hjælp af højeffektspulseret magnetronsputteringsteknologi
Belægningen fremstillet ved hjælp af højeffektspulseret magnetronsputteringsteknologi er tættere, med bedre mekaniske egenskaber og høj temperaturstabilitet. Som vist på billede 3 har den konventionelle magnetronsputterede TiAlN-belægning en søjleformet krystalstruktur med en hårdhed på 30 GPa og et Youngs modul på 460 GPa; HIPIMS-TiAlN-belægningen har en hårdhed på 34 GPa, mens Youngs modul er 377 GPa; forholdet mellem hårdhed og Youngs modul er et mål for belægningens sejhed. Højere hårdhed og mindre Youngs modul betyder bedre sejhed. HIPIMS-TiAlN-belægningen har bedre høj temperaturstabilitet, hvor AlN-hexagonal fase udfældes i den konventionelle TiAlN-belægning efter højtemperaturglødning ved 1.000 °C i 4 timer. Belægningens hårdhed falder ved høj temperatur, mens HIPIMS-TiAlN-belægningen forbliver uændret efter varmebehandling ved samme temperatur og tid. HIPIMS-TiAlN-belægning har også en højere starttemperatur for højtemperaturoxidation end konventionel belægning. Derfor udviser HIPIMS-TiAlN-belægningen en meget bedre ydeevne i højhastighedsskæreværktøjer end andre belagte værktøjer fremstillet ved PVD-processen.
Opslagstidspunkt: 8. november 2022