Introduction à la technologie HiPIMS

Principe n° 1 de la pulvérisation cathodique magnétronique pulsée de haute puissance
La technique de pulvérisation cathodique magnétronique pulsée haute puissance utilise une puissance d'impulsion de crête élevée (2 à 3 ordres de grandeur supérieure à celle de la pulvérisation cathodique magnétronique conventionnelle) et un faible rapport cyclique (0,5 % à 10 %) pour atteindre des taux de dissociation du métal élevés (> 50 %). Ces taux découlent des caractéristiques de la pulvérisation cathodique magnétronique, comme illustré sur la figure 1, où la densité de courant cible de crête I est proportionnelle à la puissance 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 faibles densités de puissance (basse tension), la valeur de 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 de n tend vers 1 en raison de la perte de confinement du champ magnétique. À faibles densités de puissance, la décharge gazeuse est déterminée par les ions gazeux, ce qui correspond au mode de décharge pulsée normal. Si, à des densités de puissance élevées, la proportion d'ions métalliques dans le plasma augmente et que certains matériaux basculent, c'est-à-dire en mode d'auto-pulvérisation, le plasma est maintenu par l'ionisation de particules neutres pulvérisées et d'ions métalliques secondaires, et des atomes de gaz inerte tels que l'Ar sont utilisés uniquement pour amorcer le plasma, après quoi les particules métalliques pulvérisées sont ionisées près de la cible et accélérées en retour pour bombarder la cible pulvérisée sous l'action de champs magnétiques et électriques pour maintenir la décharge de courant élevée, et le plasma est constitué de particules métalliques hautement ionisées. En raison de l'échauffement de la cible lors du processus de pulvérisation, et afin de garantir un fonctionnement stable de la cible dans les applications industrielles, la densité de puissance qui lui est directement appliquée ne doit pas être trop élevée. Généralement, pour un refroidissement direct par eau et une conductivité thermique du matériau cible inférieure à 25 W/cm², la densité de puissance ne peut être supérieure à 25 W/cm². En cas de refroidissement indirect par eau, de faible conductivité thermique du matériau cible, de fragmentation due aux contraintes thermiques ou de présence de composants d'alliage faiblement volatils, la densité de puissance ne peut être que de l'ordre de 2 à 15 W/cm², bien en deçà des exigences de haute densité de puissance. Le problème de la surchauffe de la cible peut être résolu par l'utilisation d'impulsions de puissance très courtes et de haute puissance. Anders définit la pulvérisation magnétronique pulsée de haute puissance comme un type de pulvérisation pulsée où la densité de puissance de crête dépasse la densité de puissance moyenne de deux à trois ordres de grandeur, où la pulvérisation ionique de la cible domine le processus et où les atomes pulvérisés sont fortement dissociés.

N° 2 Caractéristiques du dépôt de revêtement par pulvérisation cathodique magnétronique pulsée de haute puissance

La pulvérisation cathodique magnétronique pulsée de haute puissance permet de produire un plasma à taux de dissociation et énergie ionique élevés. L'application d'une pression de polarisation accélère les ions chargés, et le dépôt de revêtement est réalisé par bombardement de particules de haute énergie, une technique typique du dépôt physique en phase vapeur par impulsions (IPVD). L'énergie et la distribution des ions ont un impact crucial sur la qualité et les performances du revêtement.
Concernant le dépôt en phase vapeur induit par plasma (IPVD), Anders a proposé un modèle de régions structurales intégrant le dépôt plasma et la gravure ionique. Il a étendu la relation entre la structure du revêtement, la température et la pression atmosphérique du modèle de Thorton à la relation entre la structure du revêtement, la température et l'énergie ionique, comme illustré sur la figure 2. Dans le cas d'un dépôt ionique à basse énergie, la structure du revêtement est conforme au modèle de Thorton. L'augmentation de la température de dépôt induit la transition de la région 1 (cristaux fibreux poreux lâches) à la région T (cristaux fibreux denses), puis à la région 2 (cristaux colonnaires) et enfin à la région 3 (zone de recristallisation). L'augmentation de l'énergie ionique de dépôt entraîne une diminution de la température de transition entre ces régions. Il est possible d'obtenir des cristaux fibreux et colonnaires de haute densité à basse température. Lorsque l'énergie des ions déposés augmente jusqu'à 1-10 eV, le bombardement et la gravure des ions sur la surface des revêtements déposés sont renforcés et l'épaisseur des revêtements est augmentée.

N° 3 Préparation d'une couche de revêtement dur par la technologie de pulvérisation cathodique magnétronique pulsée haute puissance
Le revêtement préparé par pulvérisation cathodique magnétronique pulsée haute puissance (HIPIMS) est plus dense, avec de meilleures propriétés mécaniques et une stabilité à haute température accrue. Comme illustré sur la figure 3, le revêtement TiAlN conventionnel déposé par pulvérisation cathodique magnétronique présente une structure cristalline colonnaire, une dureté de 30 GPa et un module de Young de 460 GPa. Le revêtement HIPIMS-TiAlN, quant à lui, affiche une dureté de 34 GPa et un module de Young de 377 GPa. Le rapport entre la dureté et le module de Young caractérise la ténacité du revêtement : une dureté élevée et un module de Young faible indiquent une meilleure ténacité. Le revêtement HIPIMS-TiAlN présente une meilleure stabilité à haute température. En effet, une phase hexagonale d'AlN précipite dans le revêtement TiAlN conventionnel après un recuit à haute température (1 000 °C) pendant 4 h. La dureté de ce dernier diminue à haute température, tandis que celle du revêtement HIPIMS-TiAlN reste inchangée après un traitement thermique identique. Le revêtement HIPIMS-TiAlN présente également une température d'amorçage de l'oxydation à haute température plus élevée que les revêtements conventionnels. Par conséquent, le revêtement HIPIMS-TiAlN offre des performances nettement supérieures pour les outils de coupe à grande vitesse par rapport aux autres outils revêtus par le procédé PVD.