Nr 1 suure võimsusega impulssmagnetroni pihustamise põhimõte
Suure võimsusega impulssmagnetroni pihustamise tehnikas kasutatakse suurt impulsi tippvõimsust (2–3 suurusjärku suurem kui tavapärasel magnetroni pihustamisel) ja madalat impulsi töötsüklit (0,5–10%), et saavutada kõrge metalli dissotsiatsioonikiirus (>50%), mis tuletatakse magnetroni pihustamise omadustest, nagu on näidatud joonisel 1, kus sihtvoolutiheduse tipp I on proportsionaalne tühjenduspinge U eksponentsiaalse n-nda võimsusega, I = kUn (n on katoodi struktuuri, magnetvälja ja materjaliga seotud konstant). Madalamatel võimsustihedustel (madal pinge) on n väärtus tavaliselt vahemikus 5–15; tühjenduspinge suurenedes suurenevad voolutihedus ja võimsustihedus kiiresti ning kõrgel pingel saab n väärtus magnetvälja piiramise kadumise tõttu 1-ks. Madalatel võimsustihedustel määratakse gaaslahendus gaasiioonide abil, mis on tavalises impulsslahendusrežiimis; Suure võimsustiheduse korral suureneb metalliioonide osakaal plasmas ja mõned materjalid lülituvad ümber isepihustatavasse režiimi, st plasmat hoitakse pritsitud neutraalsete osakeste ja sekundaarsete metalliioonide ionisatsiooni teel ning inertgaasi aatomeid, näiteks Ar, kasutatakse ainult plasma süütamiseks. Seejärel ioniseeritakse pritsitud metalliosakesed sihtmärgi lähedal ja kiirendatakse tagasi, et pommitada pritsitud sihtmärki magnet- ja elektriväljade toimel, et säilitada suur voolutühjendus, ja plasma on tugevalt ioniseeritud metalliosakesed. Pihustamisprotsessi kuumuse mõju tõttu sihtmärgile ei tohi sihtmärgi stabiilse töö tagamiseks tööstuslikes rakendustes sihtmärgile otse rakendatav võimsustihedus olla liiga suur. Üldiselt peaks otsese vesijahutuse ja sihtmärgi materjali soojusjuhtivus olema alla 25 W/cm2, kaudse vesijahutuse korral on sihtmärgi materjali soojusjuhtivus halb, sihtmärgi materjal on killustunud termilise pinge tõttu või sihtmärgi materjal sisaldab vähe lenduvaid sulamikomponente ja muudel juhtudel võib võimsustihedus olla ainult 2–15 W/cm2, mis on palju madalam suure võimsustiheduse nõuetest. Sihtmärgi ülekuumenemise probleemi saab lahendada väga kitsaste suure võimsusega impulsside abil. Anders defineerib suure võimsusega impulssmagnetroni pihustamist kui impulsspihustamise liiki, kus tippvõimsustihedus ületab keskmise võimsustiheduse 2–3 suurusjärgu võrra ning sihtmärgi ioonide pihustamine domineerib pihustamisprotsessis ja sihtmärgi pihustavad aatomid on tugevalt dissotsieerunud.
Nr 2. Suure võimsusega impulssmagnetroni pihustuskatte sadestamise omadused
Suure võimsusega impulssmagnetroni pihustamine võimaldab toota kõrge dissotsiatsioonikiiruse ja kõrge ioonenergiaga plasmat ning laetud ioonide kiirendamiseks saab rakendada eelpinget ja kattekihi sadestamise protsessi pommitatakse kõrge energiaga osakestega, mis on tüüpiline IPVD-tehnoloogia. Ioonenergial ja -jaotusel on väga oluline mõju katte kvaliteedile ja toimivusele.
IPVD kohta pakkus Anders välja struktuurilise piirkonna mudeli, mis põhineb kuulsal Thortoni struktuuripiirkonna mudelil ja hõlmab plasma sadestamist ja ioonide söövitamist, laiendades katte struktuuri, temperatuuri ja õhurõhu vahelist seost Thortoni struktuuripiirkonna mudelis katte struktuuri, temperatuuri ja ioonenergia vahelisele seosele, nagu on näidatud joonisel 2. Madala energiaga ioonsadestamise katte puhul vastab katte struktuur Thortoni struktuuritsoonide mudelile. Sadestamistemperatuuri tõustes toimub üleminek piirkonnast 1 (lahtised poorsed kiudkristallid) piirkonda T (tihedad kiudkristallid), piirkonda 2 (kolonnjad kristallid) ja piirkonda 3 (rekristalliseerumispiirkond); sadestamise ioonenergia suurenemisega väheneb üleminekutemperatuur piirkonnast 1 piirkonda T, piirkonda 2 ja piirkonda 3. Suure tihedusega kiudkristalle ja kolonnjaid kristalle saab valmistada madalal temperatuuril. Kui sadestatud ioonide energia suureneb suurusjärku 1–10 eV, suureneb ioonide pommitamine ja söövitamine sadestatud katte pinnale ning katete paksus suureneb.
Nr 3 Kõva kattekihi ettevalmistamine suure võimsusega impulssmagnetroni pihustamise tehnoloogia abil
Suure võimsusega impulss-magnetronpihustamise tehnoloogiaga valmistatud kate on tihedam, paremate mehaaniliste omaduste ja kõrge temperatuuriga stabiilsusega. Nagu joonisel 3 näidatud, on tavapärasel magnetronpihustusega TiAlN-kattekihil sammaskristallstruktuur, mille kõvadus on 30 GPa ja Youngi moodul 460 GPa; HIPIMS-TiAlN-kattekihi kõvadus on 34 GPa, samas kui Youngi moodul on 377 GPa; kõvaduse ja Youngi mooduli suhe on kattekihi sitkuse mõõt. Suurem kõvadus ja väiksem Youngi moodul tähendavad paremat sitkust. HIPIMS-TiAlN-kattekihil on parem kõrge temperatuuriga stabiilsus, kusjuures AlN-i kuusnurkne faas sadestub tavapärasesse TiAlN-kattesse pärast kõrgel temperatuuril kuumutamist temperatuuril 1000 °C 4 tunni jooksul. Katte kõvadus väheneb kõrgel temperatuuril, samas kui HIPIMS-TiAlN-kate jääb pärast samal temperatuuril ja ajal kuumtöötlust muutumatuks. HIPIMS-TiAlN-kattekihil on ka kõrgem kõrgel temperatuuril oksüdeerumise algustemperatuur kui tavapärasel kattel. Seetõttu näitab HIPIMS-TiAlN-kate kiirete lõikeriistade puhul palju paremaid tulemusi kui teised PVD-protsessiga valmistatud kattega tööriistad.
Postituse aeg: 08.11.2022