Suuritehoisen pulssitetun magnetronisputteroinnin periaate nro 1
Suuritehoisessa pulssimaisessa magnetronisputterointitekniikassa käytetään suurta pulssin huipputehoa (2–3 kertaluokkaa suurempi kuin perinteisessä magnetronisputterointitekniikassa) ja pientä pulssikäyttösuhdetta (0,5–10 %) korkeiden metallien dissosiaatioasteiden (> 50 %) saavuttamiseksi, mikä on johdettu magnetronisputterointiominaisuuksista, kuten kuvassa 1 on esitetty, jossa huippuvirrantiheys I on verrannollinen purkausjännitteen U eksponentiaaliseen n:nteen potenssiin, I = kUn (n on vakio, joka liittyy katodirakenteeseen, magneettikenttään ja materiaaliin). Pienemmillä tehotiheyksillä (matala jännite) n:n arvo on yleensä välillä 5–15; purkausjännitteen kasvaessa virrantiheys ja tehotiheys kasvavat nopeasti, ja suurella jännitteellä n:n arvosta tulee 1 magneettikentän rajoittumisen menetyksen vuoksi. Pienillä tehotiheyksillä kaasun purkauksen määräävät kaasuionit, jotka ovat normaalissa pulssipurkaustilassa; Suurilla tehotiheyksillä metalli-ionien osuus plasmassa kasvaa ja jotkut materiaalit siirtyvät itsesputterointitilaan. Plasmaa ylläpidetään sputteroitujen neutraalien hiukkasten ja sekundaaristen metalli-ionien ionisaatiolla, ja inerttejä kaasuatomeja, kuten Ar, käytetään vain plasman sytyttämiseen. Sputteroituneet metallihiukkaset ionisoituvat kohteen lähellä ja kiihtyvät takaisin pommittamaan sputteroitua kohdetta magneettisten ja sähkökenttien vaikutuksesta, jotta suuri purkausvirta säilyy. Plasma on erittäin ionisoitunutta metallihiukkasta. Sputterointiprosessin aiheuttaman lämmitysvaikutuksen vuoksi kohteeseen kohdistuva tehotiheys ei saa olla liian suuri, jotta teollisissa sovelluksissa kohteen vakaa toiminta voidaan varmistaa. Yleensä suoran vesijäähdytyksen ja kohdemateriaalin lämmönjohtavuuden tulisi olla alle 25 W/cm2. Epäsuoran vesijäähdytyksen tapauksessa kohdemateriaalin lämmönjohtavuus on huono, kohdemateriaalin lämpöjännityksen aiheuttama pirstoutuminen tai kohdemateriaalin haihtuvien seoskomponenttien vähäinen määrä tehotiheyttä voi olla vain 2–15 W/cm2, mikä on huomattavasti korkean tehotiheyden vaatimusten alapuolella. Kohteen ylikuumenemisen ongelma voidaan ratkaista käyttämällä hyvin kapeita, suuritehoisia pulsseja. Anders määrittelee suuritehoisen pulssitetun magnetronisputteroinnin pulssisputteroinnin tyypiksi, jossa huipputehotiheys ylittää keskimääräisen tehotiheyden 2–3 kertaluokkaa, ja kohteen ioni-sputterointi hallitsee sputterointiprosessia, ja kohteen sputteroivat atomit ovat erittäin dissosioituneita.
Nro 2 Suuritehoisen pulssitetun magnetronisputterointipinnoitteen ominaisuudet
Suuritehoinen pulssitettu magnetronisputterointi voi tuottaa plasmaa, jolla on korkea dissosiaationopeus ja korkea ionienergia, ja sillä voidaan kiihdyttää varautuneita ioneja esipaineella. Pinnoitusprosessia pommitetaan korkeaenergisillä hiukkasilla, mikä on tyypillistä IPVD-teknologialle. Ionienergialla ja -jakaumalla on erittäin tärkeä vaikutus pinnoitteen laatuun ja suorituskykyyn.
Anders esitti IPVD:stä tunnetun Thortonin rakennealuemallin pohjalta rakennealuemallin, joka sisältää plasmalaskeuman ja ionietsauksen. Hän laajensi pinnoitteen rakenteen, lämpötilan ja ilmanpaineen välistä suhdetta pinnoitteen rakenteen, lämpötilan ja ionienergian väliseen suhteeseen, kuten kuvassa 2 on esitetty. Matalaenergisen ionilaskeuman tapauksessa pinnoitteen rakenne vastaa Thortonin rakennevyöhykemallia. Laskeutumislämpötilan noustessa siirtymä alueelta 1 (irtonaiset huokoiset kuitukiteet) alueelle T (tiheät kuitukiteet), alueelle 2 (pylväsmäiset kiteet) ja alueelle 3 (uudelleenkiteytymisalue) tapahtuu; laskeutumisen ionienergian kasvaessa siirtymälämpötila alueelta 1 alueelle T, alueelle 2 ja alueelle 3 laskee. Suuritiheyksisiä kuitukiteitä ja pylväsmäisiä kiteitä voidaan valmistaa matalassa lämpötilassa. Kun laskeutuneiden ionien energia kasvaa luokkaa 1–10 eV, ionien pommitus ja etsaus kerrostetun pinnoitteen pinnalla tehostuu ja pinnoitteen paksuus kasvaa.
Nro 3 Kovapinnoitekerroksen valmistus suuritehoisella pulssimagnetronisputterointitekniikalla
Suuritehoisella pulssimagnetronisputterointitekniikalla valmistettu pinnoite on tiheämpi, sillä on paremmat mekaaniset ominaisuudet ja korkean lämpötilan stabiilius. Kuten kuvassa 3 on esitetty, perinteinen magnetronisputteroitu TiAlN-pinnoite on pylväsmäinen kiderakenne, jonka kovuus on 30 GPa ja Youngin moduuli 460 GPa. HIPIMS-TiAlN-pinnoitteen kovuus on 34 GPa ja Youngin moduuli 377 GPa. Kovuuden ja Youngin moduulin suhde mittaa pinnoitteen sitkeyttä. Suurempi kovuus ja pienempi Youngin moduuli tarkoittavat parempaa sitkeyttä. HIPIMS-TiAlN-pinnoitteella on parempi korkean lämpötilan stabiilius, sillä AlN-heksagonaalinen faasi saostuu perinteiseen TiAlN-pinnoitteeseen 1 000 °C:ssa 4 tunnin ajan tapahtuneen korkean lämpötilan hehkutuskäsittelyn jälkeen. Pinnoitteen kovuus laskee korkeassa lämpötilassa, kun taas HIPIMS-TiAlN-pinnoite pysyy muuttumattomana samassa lämpötilassa ja ajassa tehdyn lämpökäsittelyn jälkeen. HIPIMS-TiAlN-pinnoitteella on myös korkeamman lämpötilan hapettumisen alkamislämpötila kuin perinteisellä pinnoitteella. Siksi HIPIMS-TiAlN-pinnoite osoittaa paljon parempaa suorituskykyä suurnopeusleikkaustyökaluissa kuin muut PVD-prosessilla valmistetut pinnoitetut työkalut.
Julkaisun aika: 8.11.2022