HiPIMS प्रौद्योगिकी का परिचय

उच्च शक्ति स्पंदित मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग का सिद्धांत क्रमांक 1
उच्च शक्ति स्पंदित मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग तकनीक उच्च पीक पल्स शक्ति (पारंपरिक मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग की तुलना में 2-3 गुना अधिक) और कम पल्स ड्यूटी चक्र (0.5%-10%) का उपयोग करके उच्च धातु वियोजन दर (>50%) प्राप्त करती है, जो मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग विशेषताओं से प्राप्त होती है, जैसा कि चित्र 1 में दिखाया गया है, जहां पीक लक्ष्य धारा घनत्व I डिस्चार्ज वोल्टेज U की घातांकीय nवीं घात के समानुपाती होता है, I = kUn (n कैथोड संरचना, चुंबकीय क्षेत्र और सामग्री से संबंधित एक स्थिरांक है)। कम शक्ति घनत्व (कम वोल्टेज) पर n का मान आमतौर पर 5 से 15 की सीमा में होता है; डिस्चार्ज वोल्टेज बढ़ने के साथ, धारा घनत्व और शक्ति घनत्व तेजी से बढ़ते हैं, और उच्च वोल्टेज पर चुंबकीय क्षेत्र परिरोधन के नुकसान के कारण n का मान 1 हो जाता है। यदि कम शक्ति घनत्व पर, गैस डिस्चार्ज गैस आयनों द्वारा निर्धारित होता है, जो सामान्य स्पंदित डिस्चार्ज मोड में होता है; उच्च शक्ति घनत्व पर, प्लाज्मा में धातु आयनों का अनुपात बढ़ जाता है और कुछ पदार्थ स्व-स्पटरिंग मोड में परिवर्तित हो जाते हैं, यानी प्लाज्मा स्पटर किए गए उदासीन कणों और द्वितीयक धातु आयनों के आयनीकरण द्वारा बनाए रखा जाता है, और अक्रिय गैस परमाणु जैसे आर्गन का उपयोग केवल प्लाज्मा को प्रज्वलित करने के लिए किया जाता है, जिसके बाद स्पटर किए गए धातु कण लक्ष्य के पास आयनित हो जाते हैं और चुंबकीय और विद्युत क्षेत्रों की क्रिया के तहत स्पटर किए गए लक्ष्य पर बमबारी करने के लिए वापस त्वरित हो जाते हैं ताकि उच्च धारा निर्वहन को बनाए रखा जा सके, और प्लाज्मा अत्यधिक आयनित धातु कणों से बना होता है। स्पटरिंग प्रक्रिया के दौरान टारगेट पर तापन प्रभाव के कारण, औद्योगिक अनुप्रयोगों में टारगेट के स्थिर संचालन को सुनिश्चित करने के लिए, टारगेट पर सीधे लागू की जाने वाली शक्ति घनत्व बहुत अधिक नहीं हो सकती। सामान्यतः, प्रत्यक्ष जल शीतलन और टारगेट सामग्री की तापीय चालकता 25 W/cm² से कम होनी चाहिए। अप्रत्यक्ष जल शीतलन में, टारगेट सामग्री की तापीय चालकता कम होने, तापीय तनाव के कारण टारगेट सामग्री के विखंडन, या टारगेट सामग्री में कम वाष्पशील मिश्रधातु घटकों की उपस्थिति आदि मामलों में शक्ति घनत्व केवल 2 से 15 W/cm² से कम हो सकता है, जो उच्च शक्ति घनत्व की आवश्यकताओं से बहुत कम है। टारगेट के अत्यधिक गर्म होने की समस्या को बहुत संकीर्ण उच्च शक्ति स्पंदों का उपयोग करके हल किया जा सकता है। एंडर्स उच्च-शक्ति स्पंदित मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग को एक प्रकार की स्पंदित स्पटरिंग के रूप में परिभाषित करते हैं, जिसमें शिखर शक्ति घनत्व औसत शक्ति घनत्व से 2 से 3 गुना अधिक होता है, और स्पटरिंग प्रक्रिया में टारगेट आयन स्पटरिंग हावी होती है, तथा टारगेट स्पटरिंग परमाणु अत्यधिक विघटित होते हैं।

क्रमांक 2 उच्च शक्ति स्पंदित मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग कोटिंग निक्षेपण की विशेषताएं

उच्च शक्ति वाले पल्स मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग से उच्च वियोजन दर और उच्च आयन ऊर्जा वाला प्लाज्मा उत्पन्न किया जा सकता है, और आवेशित आयनों को गति देने के लिए बायस दबाव लगाया जा सकता है। कोटिंग जमाव प्रक्रिया के दौरान उच्च-ऊर्जा कणों की बमबारी की जाती है, जो एक विशिष्ट IPVD तकनीक है। आयन ऊर्जा और वितरण का कोटिंग की गुणवत्ता और प्रदर्शन पर बहुत महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ता है।
आईपीवीडी के बारे में, प्रसिद्ध थॉर्नटन संरचनात्मक क्षेत्र मॉडल के आधार पर, एंडर्स ने प्लाज्मा जमाव और आयन नक़्क़ाशी को शामिल करते हुए एक संरचनात्मक क्षेत्र मॉडल प्रस्तावित किया, और थॉर्नटन संरचनात्मक क्षेत्र मॉडल में कोटिंग संरचना और तापमान तथा वायु दाब के बीच के संबंध को कोटिंग संरचना, तापमान और आयन ऊर्जा के बीच के संबंध तक विस्तारित किया, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है। कम ऊर्जा आयन जमाव कोटिंग के मामले में, कोटिंग संरचना थॉर्नटन संरचना क्षेत्र मॉडल के अनुरूप होती है। जमाव तापमान बढ़ने के साथ, क्षेत्र 1 (ढीले छिद्रयुक्त रेशे क्रिस्टल) से क्षेत्र T (घने रेशे क्रिस्टल), क्षेत्र 2 (स्तंभकार क्रिस्टल) और क्षेत्र 3 (पुनर्क्रिस्टलीकरण क्षेत्र) में संक्रमण होता है; जमाव आयन ऊर्जा बढ़ने के साथ, क्षेत्र 1 से क्षेत्र T, क्षेत्र 2 और क्षेत्र 3 में संक्रमण तापमान घटता है। उच्च घनत्व वाले रेशे क्रिस्टल और स्तंभकार क्रिस्टल कम तापमान पर तैयार किए जा सकते हैं। जब जमा हुए आयनों की ऊर्जा 1-10 eV के क्रम तक बढ़ जाती है, तो जमा हुई कोटिंग की सतह पर आयनों की बमबारी और नक्काशी बढ़ जाती है और कोटिंग की मोटाई भी बढ़ जाती है।

क्रमांक 3: उच्च शक्ति पल्स मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग तकनीक द्वारा कठोर कोटिंग परत का निर्माण
उच्च शक्ति पल्स मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग तकनीक द्वारा तैयार की गई कोटिंग अधिक सघन होती है, इसके यांत्रिक गुण बेहतर होते हैं और यह उच्च तापमान पर स्थिर रहती है। चित्र 3 में दर्शाए अनुसार, पारंपरिक मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग द्वारा तैयार की गई TiAlN कोटिंग की क्रिस्टलीय संरचना स्तंभनुमा होती है, जिसकी कठोरता 30 GPa और यंग मापांक 460 GPa होता है; जबकि HIPIMS-TiAlN कोटिंग की कठोरता 34 GPa और यंग मापांक 377 GPa होता है। कठोरता और यंग मापांक का अनुपात कोटिंग की मजबूती का माप है। उच्च कठोरता और कम यंग मापांक का अर्थ है बेहतर मजबूती। HIPIMS-TiAlN कोटिंग उच्च तापमान पर अधिक स्थिर रहती है, जबकि पारंपरिक TiAlN कोटिंग में 1,000 °C पर 4 घंटे तक उच्च तापमान पर एनीलिंग उपचार के बाद AlN षट्कोणीय चरण अवक्षेपित हो जाता है। उच्च तापमान पर कोटिंग की कठोरता कम हो जाती है, जबकि HIPIMS-TiAlN कोटिंग समान तापमान और समय पर ऊष्मा उपचार के बाद अपरिवर्तित रहती है। HIPIMS-TiAlN कोटिंग में पारंपरिक कोटिंग की तुलना में उच्च तापमान ऑक्सीकरण का आरंभिक तापमान भी अधिक होता है। इसलिए, HIPIMS-TiAlN कोटिंग, PVD प्रक्रिया द्वारा तैयार किए गए अन्य लेपित उपकरणों की तुलना में उच्च गति वाले कटिंग टूल्स में कहीं बेहतर प्रदर्शन करती है।