Prinzip Nr. 1 der Hochleistungs-Pulsmagnetron-Sputterung
Das Hochleistungs-Pulsmagnetron-Sputterverfahren nutzt eine hohe Pulsspitzenleistung (2-3 Größenordnungen höher als beim konventionellen Magnetron-Sputtern) und ein niedriges Puls-Tastverhältnis (0,5-10 %), um hohe Metalldissoziationsraten (>50 %) zu erzielen. Diese ergeben sich aus den Magnetron-Sputtercharakteristika (siehe Abb. 1), wobei die maximale Targetstromdichte I proportional zur n-ten Potenz der Entladungsspannung U ist: I = kUn (n ist eine Konstante, die von der Kathodenstruktur, dem Magnetfeld und dem Material abhängt). Bei niedrigen Leistungsdichten (niedriger Spannung) liegt der Wert von n üblicherweise im Bereich von 5 bis 15. Mit steigender Entladungsspannung nehmen Stromdichte und Leistungsdichte rapide zu, und bei hoher Spannung erreicht der Wert von n aufgrund des Verlusts der Magnetfeldbegrenzung den Wert 1. Bei niedrigen Leistungsdichten wird die Gasentladung durch Gasionen bestimmt und befindet sich im normalen Pulsentladungsmodus. Bei hohen Leistungsdichten steigt der Anteil der Metallionen im Plasma, und einige Materialien schalten in den Selbstzerstäubungsmodus. Das Plasma wird durch die Ionisierung von gesputterten neutralen Teilchen und sekundären Metallionen aufrechterhalten, und Edelgasatome wie Ar werden nur zur Zündung des Plasmas verwendet. Anschließend werden die gesputterten Metallpartikel in der Nähe des Targets ionisiert und unter dem Einfluss von Magnet- und elektrischen Feldern zurückbeschleunigt, um das gesputterte Target zu bombardieren und so die Hochstromentladung aufrechtzuerhalten. Das Plasma besteht dann aus hochionisierten Metallpartikeln. Aufgrund der Erwärmung des Targets beim Sputtern darf die direkt auf das Target einwirkende Leistungsdichte nicht zu hoch sein, um einen stabilen Betrieb in industriellen Anwendungen zu gewährleisten. Bei direkter Wasserkühlung und einer hohen Wärmeleitfähigkeit des Targetmaterials sollte die Leistungsdichte in der Regel unter 25 W/cm² liegen. Bei indirekter Wasserkühlung, geringer Wärmeleitfähigkeit des Targetmaterials, Fragmentierung des Targetmaterials durch thermische Spannungen oder dem Vorhandensein schwerflüchtiger Legierungsbestandteile darf die Leistungsdichte nur 2 bis 15 W/cm² betragen und liegt damit weit unter den Anforderungen an eine hohe Leistungsdichte. Das Problem der Targetüberhitzung lässt sich durch den Einsatz sehr kurzer Hochleistungspulse lösen. Anders definiert Hochleistungs-Pulsmagnetron-Sputtern als eine Art des Puls-Sputterns, bei dem die Spitzenleistungsdichte die mittlere Leistungsdichte um zwei bis drei Größenordnungen übersteigt, das Ionen-Sputtern den Sputterprozess dominiert und die Target-Sputteratome hochgradig dissoziiert sind.
Nr. 2 Die Eigenschaften der Beschichtungsabscheidung mittels gepulstem Hochleistungsmagnetron-Sputtern
Hochleistungs-Pulsmagnetron-Sputtern erzeugt Plasma mit hoher Dissoziationsrate und hoher Ionenenergie. Durch Anlegen eines Vorspannungsdrucks werden die geladenen Ionen beschleunigt, und der Beschichtungsprozess wird von hochenergetischen Teilchen beschossen – ein typisches IPVD-Verfahren. Ionenenergie und -verteilung beeinflussen maßgeblich die Beschichtungsqualität und -leistung.
Bezüglich der IPVD-Beschichtung schlug Anders, basierend auf dem bekannten Thornton-Strukturzonenmodell, ein Strukturzonenmodell vor, das Plasmaabscheidung und Ionenätzen berücksichtigt. Er erweiterte die Beziehung zwischen Beschichtungsstruktur, Temperatur und Luftdruck aus dem Thornton-Strukturzonenmodell auf die Beziehung zwischen Beschichtungsstruktur, Temperatur und Ionenenergie (siehe Abb. 2). Bei der Beschichtung mittels Ionenabscheidung niedriger Energie entspricht die Beschichtungsstruktur dem Thornton-Strukturzonenmodell. Mit steigender Abscheidungstemperatur verschiebt sich der Übergang von Zone 1 (lockere, poröse Faserkristalle) zu Zone T (dichte Faserkristalle), Zone 2 (säulenförmige Kristalle) und Zone 3 (Rekristallisationszone). Mit steigender Ionenenergie sinkt die Übergangstemperatur von Zone 1 zu Zone T, Zone 2 und Zone 3. Hochdichte Faserkristalle und säulenförmige Kristalle lassen sich bei niedrigen Temperaturen herstellen. Wenn die Energie der deponierten Ionen in die Größenordnung von 1-10 eV ansteigt, wird der Beschuss und die Ätzung der Oberfläche der deponierten Schichten durch Ionen verstärkt und die Schichtdicke erhöht.
Nr. 3 Herstellung einer Hartbeschichtungsschicht mittels Hochleistungs-Pulsmagnetron-Sputtertechnologie
Die mittels Hochleistungs-Pulsmagnetron-Sputtertechnologie hergestellte Beschichtung ist dichter und weist bessere mechanische Eigenschaften sowie eine höhere Hochtemperaturstabilität auf. Wie in Abb. 3 dargestellt, besitzt die konventionell magnetron-gesputterte TiAlN-Beschichtung eine Säulenkristallstruktur mit einer Härte von 30 GPa und einem Elastizitätsmodul von 460 GPa. Die HIPIMS-TiAlN-Beschichtung hingegen weist eine Härte von 34 GPa und einen Elastizitätsmodul von 377 GPa auf. Das Verhältnis von Härte zu Elastizitätsmodul ist ein Maß für die Zähigkeit der Beschichtung. Höhere Härte und niedrigerer Elastizitätsmodul bedeuten eine bessere Zähigkeit. Die HIPIMS-TiAlN-Beschichtung zeigt eine bessere Hochtemperaturstabilität. In der konventionellen TiAlN-Beschichtung scheidet sich nach einer Hochtemperaturglühung bei 1000 °C für 4 h eine hexagonale AlN-Phase ab. Die Härte der konventionellen Beschichtung nimmt bei hohen Temperaturen ab, während die Härte der HIPIMS-TiAlN-Beschichtung nach einer Wärmebehandlung bei gleicher Temperatur und Dauer unverändert bleibt. Die HIPIMS-TiAlN-Beschichtung weist zudem eine höhere Oxidationstemperatur auf als herkömmliche Beschichtungen. Daher zeigt die HIPIMS-TiAlN-Beschichtung in Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeugen eine deutlich bessere Leistung als andere, mittels PVD-Verfahren hergestellte beschichtete Werkzeuge.
Veröffentlichungsdatum: 08.11.2022