Prinsip sputtering magnetron pulsa daya tinggi No. 1
Teknik sputtering magnetron berdenyut daya tinggi menggunakan daya pulsa puncak tinggi (2-3 orde magnitudo lebih tinggi daripada sputtering magnetron konvensional) dan siklus kerja pulsa rendah (0,5%-10%) untuk mencapai tingkat disosiasi logam yang tinggi (>50%), yang berasal dari karakteristik sputtering magnetron, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1, di mana kerapatan arus target puncak I sebanding dengan pangkat eksponensial ke-n dari tegangan pelepasan U, I = kUn (n adalah konstanta yang terkait dengan struktur katoda, medan magnet, dan material). Pada kerapatan daya yang lebih rendah (tegangan rendah) nilai n biasanya berada dalam kisaran 5 hingga 15; dengan meningkatnya tegangan pelepasan, kerapatan arus dan kerapatan daya meningkat dengan cepat, dan pada tegangan tinggi nilai n menjadi 1 karena hilangnya pengurungan medan magnet. Jika pada kerapatan daya rendah, pelepasan gas ditentukan oleh ion gas yang berada dalam mode pelepasan berdenyut normal; Jika pada kepadatan daya tinggi, proporsi ion logam dalam plasma meningkat dan beberapa material beralih, yaitu ke mode sputtering sendiri, artinya plasma dipertahankan oleh ionisasi partikel netral yang disemburkan dan ion logam sekunder, dan atom gas inert seperti Ar hanya digunakan untuk menyalakan plasma, setelah itu partikel logam yang disemburkan diionisasi di dekat target dan dipercepat kembali untuk membombardir target yang disemburkan di bawah pengaruh medan magnet dan listrik untuk mempertahankan pelepasan arus tinggi, dan plasma tersebut mengandung partikel logam yang sangat terionisasi. Karena proses sputtering yang menimbulkan efek pemanasan pada target, untuk memastikan operasi target yang stabil dalam aplikasi industri, kepadatan daya yang diterapkan langsung ke target tidak boleh terlalu besar. Umumnya, pendinginan air langsung dan konduktivitas termal material target harus berada di bawah 25 W/cm2. Pendinginan air tidak langsung, konduktivitas termal material target buruk, material target mengalami fragmentasi akibat tegangan termal, atau material target mengandung komponen paduan dengan volatilitas rendah, dan kasus lainnya, kepadatan daya hanya dapat berada di bawah 2 ~ 15 W/cm2, jauh di bawah persyaratan kepadatan daya tinggi. Masalah panas berlebih pada target dapat diatasi dengan menggunakan pulsa daya tinggi yang sangat sempit. Anders mendefinisikan sputtering magnetron pulsa daya tinggi sebagai jenis sputtering pulsa di mana kepadatan daya puncak melebihi kepadatan daya rata-rata sebesar 2 hingga 3 orde besaran, dan sputtering ion target mendominasi proses sputtering, serta atom sputtering target sangat terdisosiasi.
No. 2 Karakteristik pengendapan lapisan sputtering magnetron pulsa daya tinggi
Sputtering magnetron berdenyut daya tinggi dapat menghasilkan plasma dengan laju disosiasi tinggi dan energi ion tinggi, serta dapat menerapkan tekanan bias untuk mempercepat ion bermuatan, dan proses pengendapan lapisan dibombardir oleh partikel berenergi tinggi, yang merupakan teknologi IPVD tipikal. Energi dan distribusi ion memiliki dampak yang sangat penting pada kualitas dan kinerja lapisan.
Mengenai IPVD, berdasarkan model wilayah struktural Thorton yang terkenal, Anders mengusulkan model wilayah struktural yang mencakup deposisi plasma dan etsa ion, memperluas hubungan antara struktur lapisan dan suhu serta tekanan udara dalam model wilayah struktural Thorton menjadi hubungan antara struktur lapisan, suhu, dan energi ion, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Dalam kasus pelapisan deposisi ion energi rendah, struktur lapisan sesuai dengan model zona struktur Thorton. Dengan meningkatnya suhu deposisi, terjadi transisi dari wilayah 1 (kristal serat berpori longgar) ke wilayah T (kristal serat padat), wilayah 2 (kristal kolumnar), dan wilayah 3 (wilayah rekristalisasi); dengan meningkatnya energi ion deposisi, suhu transisi dari wilayah 1 ke wilayah T, wilayah 2, dan wilayah 3 menurun. Kristal serat dan kristal kolumnar dengan kepadatan tinggi dapat dibuat pada suhu rendah. Ketika energi ion yang dideposisikan meningkat hingga orde 1-10 eV, pembombardiran dan etsa ion pada permukaan lapisan yang dideposisikan meningkat dan ketebalan lapisan bertambah.
No. 3 Pembuatan lapisan pelapis keras dengan teknologi sputtering magnetron pulsa daya tinggi
Lapisan yang dibuat dengan teknologi sputtering magnetron pulsa daya tinggi lebih padat, dengan sifat mekanik yang lebih baik dan stabilitas suhu tinggi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, lapisan TiAlN yang dibuat dengan sputtering magnetron konvensional memiliki struktur kristal kolumnar dengan kekerasan 30 GPa dan modulus Young 460 GPa; lapisan HIPIMS-TiAlN memiliki kekerasan 34 GPa sedangkan modulus Young-nya adalah 377 GPa; rasio antara kekerasan dan modulus Young merupakan ukuran ketangguhan lapisan. Kekerasan yang lebih tinggi dan modulus Young yang lebih kecil berarti ketangguhan yang lebih baik. Lapisan HIPIMS-TiAlN memiliki stabilitas suhu tinggi yang lebih baik, dengan fase heksagonal AlN mengendap pada lapisan TiAlN konvensional setelah perlakuan anil suhu tinggi pada 1.000 °C selama 4 jam. Kekerasan lapisan menurun pada suhu tinggi, sedangkan lapisan HIPIMS-TiAlN tetap tidak berubah setelah perlakuan panas pada suhu dan waktu yang sama. Lapisan HIPIMS-TiAlN juga memiliki suhu awal oksidasi suhu tinggi yang lebih tinggi daripada lapisan konvensional. Oleh karena itu, lapisan HIPIMS-TiAlN menunjukkan kinerja yang jauh lebih baik pada alat potong berkecepatan tinggi dibandingkan alat berlapis lainnya yang dibuat dengan proses PVD.
Waktu posting: 08-Nov-2022