معرفی فناوری HiPIMS

اصل شماره ۱: کندوپاش مگنترون پالسی توان بالا
تکنیک کندوپاش مگنترون پالسی با توان بالا از توان پالس پیک بالا (2-3 مرتبه بزرگتر از کندوپاش مگنترون معمولی) و چرخه کاری پالس پایین (0.5%-10%) برای دستیابی به نرخ تفکیک فلز بالا (>50%) استفاده می‌کند، که از ویژگی‌های کندوپاش مگنترون مشتق شده است، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، که در آن چگالی جریان پیک هدف I متناسب با توان نمایی n ام ولتاژ تخلیه U است، I = kUn (n یک ثابت مربوط به ساختار کاتد، میدان مغناطیسی و ماده است). در چگالی توان‌های پایین‌تر (ولتاژ پایین) مقدار n معمولاً در محدوده 5 تا 15 است. با افزایش ولتاژ تخلیه، چگالی جریان و چگالی توان به سرعت افزایش می‌یابد و در ولتاژ بالا مقدار n به دلیل از دست دادن محصورسازی میدان مغناطیسی به 1 تبدیل می‌شود. اگر در چگالی توان‌های پایین، تخلیه گاز توسط یون‌های گازی تعیین می‌شود که در حالت تخلیه پالسی معمولی است. اگر در چگالی توان بالا، نسبت یون‌های فلزی در پلاسما افزایش یابد و برخی از مواد تغییر حالت دهند، یعنی در حالت خود-پراکندگی قرار می‌گیرند، یعنی پلاسما با یونیزاسیون ذرات خنثی پراکنده شده و یون‌های فلزی ثانویه حفظ می‌شود و اتم‌های گاز بی‌اثر مانند آرگون فقط برای احتراق پلاسما استفاده می‌شوند، پس از آن ذرات فلزی پراکنده شده در نزدیکی هدف یونیزه شده و برای بمباران هدف پراکنده شده تحت عمل میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی، شتاب می‌گیرند تا تخلیه جریان بالا حفظ شود و پلاسما ذرات فلزی بسیار یونیزه شده است. با توجه به فرآیند کندوپاش اثر گرمایش بر روی هدف، برای اطمینان از عملکرد پایدار هدف در کاربردهای صنعتی، چگالی توان اعمال شده به طور مستقیم به هدف نمی‌تواند خیلی زیاد باشد، به طور کلی خنک‌سازی مستقیم با آب و رسانایی حرارتی ماده هدف باید در مواردی که خنک‌سازی غیرمستقیم با آب انجام می‌شود، 25 وات بر سانتی‌متر مربع کمتر باشد، در مواردی که رسانایی حرارتی ماده هدف ضعیف است، ماده هدف به دلیل تنش حرارتی تکه‌تکه می‌شود یا ماده هدف حاوی اجزای آلیاژی فرار کم است و موارد دیگر چگالی توان فقط می‌تواند در 2 تا 15 وات بر سانتی‌متر مربع کمتر باشد، که بسیار کمتر از الزامات چگالی توان بالا است. مشکل گرمای بیش از حد هدف را می‌توان با استفاده از پالس‌های بسیار باریک با توان بالا حل کرد. آندرس کندوپاش مگنترون پالسی با توان بالا را به عنوان نوعی کندوپاش پالسی تعریف می‌کند که در آن چگالی توان اوج 2 تا 3 برابر از چگالی توان متوسط ​​بیشتر است و کندوپاش یونی هدف بر فرآیند کندوپاش غالب است و اتم‌های کندوپاش هدف به شدت تفکیک می‌شوند.

شماره ۲ ویژگی‌های رسوب پوشش به روش کندوپاش مگنترون پالسی با توان بالا

کندوپاش مگنترون پالسی با توان بالا می‌تواند پلاسمایی با نرخ تفکیک بالا و انرژی یونی بالا تولید کند و می‌تواند فشار بایاس را برای شتاب دادن به یون‌های باردار اعمال کند و فرآیند رسوب پوشش توسط ذرات پرانرژی بمباران می‌شود که یک فناوری IPVD معمولی است. انرژی و توزیع یون تأثیر بسیار مهمی بر کیفیت و عملکرد پوشش دارد.
در مورد IPVD، بر اساس مدل معروف ناحیه ساختاری Thorton، Anders یک مدل ناحیه ساختاری پیشنهاد کرد که شامل رسوب پلاسما و حکاکی یونی است و رابطه بین ساختار پوشش و دما و فشار هوا در مدل ناحیه ساختاری Thorton را به رابطه بین ساختار پوشش، دما و انرژی یون تعمیم داد، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. در مورد پوشش رسوب یون با انرژی کم، ساختار پوشش با مدل ناحیه ساختاری Thorton مطابقت دارد. با افزایش دمای رسوب، گذار از ناحیه 1 (بلورهای الیاف متخلخل سست) به ناحیه T (بلورهای الیاف متراکم)، ناحیه 2 (بلورهای ستونی) و ناحیه 3 (ناحیه تبلور مجدد) رخ می‌دهد. با افزایش انرژی یون رسوب، دمای گذار از ناحیه 1 به ناحیه T، ناحیه 2 و ناحیه 3 کاهش می‌یابد. بلورهای الیافی با چگالی بالا و بلورهای ستونی را می‌توان در دمای پایین تهیه کرد. وقتی انرژی یون‌های رسوب‌شده به حدود ۱ تا ۱۰ الکترون‌ولت افزایش می‌یابد، بمباران و حکاکی یون‌ها روی سطح پوشش‌های رسوب‌شده افزایش یافته و ضخامت پوشش‌ها افزایش می‌یابد.

شماره ۳ تهیه لایه پوشش سخت با استفاده از فناوری کندوپاش مگنترون پالسی با توان بالا
پوشش تهیه شده با فناوری کندوپاش مگنترون پالسی با توان بالا، متراکم‌تر، با خواص مکانیکی بهتر و پایداری در دمای بالا است. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، پوشش TiAlN کندوپاش مگنترونی معمولی یک ساختار کریستالی ستونی با سختی 30 گیگاپاسکال و مدول یانگ 460 گیگاپاسکال است. پوشش HIPIMS-TiAlN دارای سختی 34 گیگاپاسکال و مدول یانگ 377 گیگاپاسکال است. نسبت بین سختی و مدول یانگ، معیاری برای چقرمگی پوشش است. سختی بالاتر و مدول یانگ کوچکتر به معنای چقرمگی بهتر است. پوشش HIPIMS-TiAlN پایداری در دمای بالا بهتری دارد، به طوری که فاز شش ضلعی AlN در پوشش TiAlN معمولی پس از عملیات حرارتی آنیل در دمای بالا در دمای 1000 درجه سانتیگراد به مدت 4 ساعت رسوب می‌کند. سختی پوشش در دمای بالا کاهش می‌یابد، در حالی که پوشش HIPIMS-TiAlN پس از عملیات حرارتی در همان دما و زمان بدون تغییر باقی می‌ماند. پوشش HIPIMS-TiAlN همچنین دمای شروع اکسیداسیون در دمای بالا بالاتری نسبت به پوشش‌های معمولی دارد. بنابراین، پوشش HIPIMS-TiAlN عملکرد بسیار بهتری در ابزارهای برشی پرسرعت نسبت به سایر ابزارهای پوشش داده شده با فرآیند PVD نشان می‌دهد.