Introduction à la technologie HiPIMS

Principe n°1 de la pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance
La technique de pulvérisation cathodique magnétron pulsée haute puissance utilise une puissance d'impulsion crête élevée (2 à 3 ordres de grandeur supérieure à celle de la pulvérisation cathodique classique) et un faible rapport cyclique d'impulsion (0,5 à 10 %) pour atteindre des taux de dissociation métallique élevés (> 50 %), dérivés des caractéristiques de la pulvérisation cathodique, comme illustré sur la figure 1, où la densité de courant cible crête I est proportionnelle à la puissance exponentielle n de la tension de décharge U, I = kUn (n étant une constante liée à la structure de la cathode, au champ magnétique et au matériau). À des densités de puissance plus faibles (basse tension), la valeur n est généralement comprise entre 5 et 15 ; avec l'augmentation de la tension de décharge, la densité de courant et la densité de puissance augmentent rapidement, et à haute tension, la valeur n devient 1 en raison de la perte de confinement du champ magnétique. À faible densité de puissance, la décharge gazeuse est déterminée par les ions gazeux qui sont en mode de décharge pulsée normal ; si à des densités de puissance élevées, la proportion d'ions métalliques dans le plasma augmente et certains matériaux commutent, c'est-à-dire en mode d'auto-pulvérisation, c'est-à-dire que le plasma est maintenu par l'ionisation de particules neutres pulvérisées et d'ions métalliques secondaires, et des atomes de gaz inertes tels que Ar sont utilisés uniquement pour allumer le plasma, après quoi les particules métalliques pulvérisées sont ionisées près de la cible et accélérées pour bombarder la cible pulvérisée sous l'action de champs magnétiques et électriques pour maintenir la décharge à courant élevé, et le plasma est constitué de particules métalliques hautement ionisées. En raison de l'effet chauffant du procédé de pulvérisation cathodique sur la cible, afin de garantir un fonctionnement stable de la cible dans les applications industrielles, la densité de puissance appliquée directement à la cible ne doit pas être trop élevée. En général, le refroidissement direct par eau et la conductivité thermique du matériau cible doivent être inférieurs à 25 W/cm². En refroidissement indirect, la conductivité thermique du matériau cible est faible, le matériau cible est fragmenté par contrainte thermique ou contient des alliages peu volatils, et dans d'autres cas, la densité de puissance ne peut être inférieure qu'à 2 à 15 W/cm², ce qui est bien en deçà des exigences de densité de puissance élevée. Le problème de surchauffe de la cible peut être résolu par l'utilisation d'impulsions de haute puissance très étroites. Anders définit la pulvérisation magnétron pulsée haute puissance comme une pulvérisation pulsée où la densité de puissance de crête dépasse la densité de puissance moyenne de 2 à 3 ordres de grandeur, où la pulvérisation ionique cible domine le processus de pulvérisation et où les atomes de la cible sont fortement dissociés.

N° 2 Les caractéristiques du dépôt de revêtement par pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance

La pulvérisation cathodique magnétron pulsée haute puissance permet de produire un plasma à taux de dissociation et énergie ionique élevés, et d'appliquer une pression de polarisation pour accélérer les ions chargés. Le dépôt du revêtement est bombardé de particules à haute énergie, une technique typique de l'IPVD. L'énergie et la distribution des ions ont un impact majeur sur la qualité et les performances du revêtement.
Français Concernant l'IPVD, basé sur le célèbre modèle de région structurelle de Thorton, Anders a proposé un modèle de région structurelle qui inclut le dépôt plasma et la gravure ionique, a étendu la relation entre la structure du revêtement et la température et la pression de l'air dans le modèle de région structurelle de Thorton à la relation entre la structure du revêtement, la température et l'énergie ionique, comme illustré dans la figure 2. Dans le cas d'un revêtement par dépôt ionique à faible énergie, la structure du revêtement est conforme au modèle de zone de structure de Thorton. Avec l'augmentation de la température de dépôt, la transition de la région 1 (cristaux de fibres poreuses lâches) à la région T (cristaux de fibres denses), la région 2 (cristaux colonnaires) et la région 3 (région de recristallisation) ; avec l'augmentation de l'énergie ionique de dépôt, la température de transition de la région 1 à la région T, la région 2 et la région 3 diminue. Les cristaux de fibres à haute densité et les cristaux colonnaires peuvent être préparés à basse température. Lorsque l'énergie des ions déposés augmente jusqu'à l'ordre de 1 à 10 eV, le bombardement et la gravure des ions sur la surface des revêtements déposés sont améliorés et l'épaisseur des revêtements est augmentée.

N° 3 Préparation d'une couche de revêtement dur par technologie de pulvérisation cathodique magnétron pulsée à haute puissance
Le revêtement préparé par pulvérisation cathodique magnétron pulsée haute puissance est plus dense, présente de meilleures propriétés mécaniques et une stabilité à haute température. Comme le montre la figure 3, le revêtement TiAlN pulvérisé par magnétron conventionnel présente une structure cristalline colonnaire avec une dureté de 30 GPa et un module de Young de 460 GPa ; le revêtement HIPIMS-TiAlN présente une dureté de 34 GPa et un module de Young de 377 GPa ; le rapport entre la dureté et le module de Young mesure la ténacité du revêtement. Une dureté plus élevée et un module de Young plus faible se traduisent par une meilleure ténacité. Le revêtement HIPIMS-TiAlN présente une meilleure stabilité à haute température, la phase hexagonale d'AlN étant précipitée dans le revêtement TiAlN conventionnel après un recuit à haute température de 1 000 °C pendant 4 h. La dureté du revêtement diminue à haute température, tandis que le revêtement HIPIMS-TiAlN reste inchangé après un traitement thermique à la même température et pendant la même durée. Le revêtement HIPIMS-TiAlN présente également une température d'oxydation à haute température plus élevée que les revêtements conventionnels. Par conséquent, il présente de bien meilleures performances pour les outils de coupe à grande vitesse que les autres outils revêtus préparés par PVD.