Introduzione alla tecnologia HiPIMS

Principio n. 1 della deposizione a sputtering con magnetron pulsato ad alta potenza
La tecnica di sputtering a magnetron pulsato ad alta potenza utilizza un'elevata potenza di picco dell'impulso (2-3 ordini di grandezza superiore rispetto allo sputtering a magnetron convenzionale) e un basso duty cycle dell'impulso (0,5%-10%) per ottenere elevati tassi di dissociazione del metallo (>50%), che derivano dalle caratteristiche dello sputtering a magnetron, come mostrato in Figura 1, dove la densità di corrente di picco del bersaglio I è proporzionale all'esponenziale n-esima potenza della tensione di scarica U, I = kUn (n è una costante correlata alla struttura del catodo, al campo magnetico e al materiale). A densità di potenza inferiori (bassa tensione) il valore di n è solitamente compreso tra 5 e 15; con l'aumento della tensione di scarica, la densità di corrente e la densità di potenza aumentano rapidamente e ad alta tensione il valore di n diventa 1 a causa della perdita del confinamento del campo magnetico. Se a basse densità di potenza, la scarica di gas è determinata dagli ioni di gas che si trovano nella normale modalità di scarica pulsata; se ad alte densità di potenza, la proporzione di ioni metallici nel plasma aumenta e alcuni materiali cambiano, cioè nella modalità di auto-sputtering, cioè il plasma è mantenuto dall'ionizzazione di particelle neutre spruzzate e ioni metallici secondari, e atomi di gas inerte come Ar vengono utilizzati solo per innescare il plasma, dopodiché le particelle metalliche spruzzate vengono ionizzate vicino al bersaglio e accelerate indietro per bombardare il bersaglio spruzzato sotto l'azione di campi magnetici ed elettrici per mantenere la scarica ad alta corrente, e il plasma è particelle metalliche altamente ionizzate. A causa del processo di sputtering e dell'effetto termico sul bersaglio, per garantire il funzionamento stabile del bersaglio nelle applicazioni industriali, la densità di potenza applicata direttamente al bersaglio non può essere troppo elevata. Generalmente, nel caso di raffreddamento diretto ad acqua e conducibilità termica del materiale del bersaglio, la densità di potenza dovrebbe essere inferiore a 25 W/cm². Nel caso di raffreddamento indiretto ad acqua, scarsa conducibilità termica del materiale del bersaglio, frammentazione del materiale del bersaglio dovuta a stress termico o presenza di componenti in lega a bassa volatilità, la densità di potenza può essere solo compresa tra 2 e 15 W/cm², ben al di sotto dei requisiti di alta densità di potenza. Il problema del surriscaldamento del bersaglio può essere risolto utilizzando impulsi di potenza elevata molto stretti. Anders definisce lo sputtering a magnetron pulsato ad alta potenza come un tipo di sputtering pulsato in cui la densità di potenza di picco supera la densità di potenza media di 2 o 3 ordini di grandezza, e lo sputtering degli ioni del bersaglio domina il processo di sputtering, con conseguente elevata dissociazione degli atomi del bersaglio.

N. 2 Caratteristiche della deposizione di rivestimenti mediante sputtering a magnetron pulsato ad alta potenza

La deposizione a sputtering con magnetron pulsato ad alta potenza può produrre plasma con un elevato tasso di dissociazione e un'elevata energia ionica, e può applicare una pressione di polarizzazione per accelerare gli ioni carichi, e il processo di deposizione del rivestimento viene bombardato da particelle ad alta energia, che è una tipica tecnologia IPVD. L'energia e la distribuzione degli ioni hanno un impatto molto importante sulla qualità e sulle prestazioni del rivestimento.
Riguardo all'IPVD, basandosi sul famoso modello di regione strutturale di Thornton, Anders ha proposto un modello di regione strutturale che include la deposizione al plasma e l'incisione ionica, estendendo la relazione tra la struttura del rivestimento, la temperatura e la pressione dell'aria nel modello di regione strutturale di Thornton alla relazione tra la struttura del rivestimento, la temperatura e l'energia ionica, come mostrato in Figura 2. Nel caso di rivestimento con deposizione ionica a bassa energia, la struttura del rivestimento si conforma al modello di zona strutturale di Thornton. Con l'aumento della temperatura di deposizione, si verifica la transizione dalla regione 1 (cristalli fibrosi porosi e lassi) alla regione T (cristalli fibrosi densi), alla regione 2 (cristalli colonnari) e alla regione 3 (regione di ricristallizzazione); con l'aumento dell'energia ionica di deposizione, la temperatura di transizione dalla regione 1 alla regione T, alla regione 2 e alla regione 3 diminuisce. Cristalli fibrosi ad alta densità e cristalli colonnari possono essere preparati a bassa temperatura. Quando l'energia degli ioni depositati aumenta fino all'ordine di 1-10 eV, il bombardamento e l'incisione degli ioni sulla superficie dei rivestimenti depositati vengono intensificati e lo spessore dei rivestimenti aumenta.

N. 3 Preparazione di uno strato di rivestimento duro mediante tecnologia di sputtering a magnetron pulsato ad alta potenza
Il rivestimento preparato con la tecnologia di sputtering a magnetron pulsato ad alta potenza è più denso, con migliori proprietà meccaniche e stabilità alle alte temperature. Come mostrato in Figura 3, il rivestimento TiAlN convenzionale depositato tramite sputtering a magnetron ha una struttura cristallina colonnare con una durezza di 30 GPa e un modulo di Young di 460 GPa; il rivestimento HIPIMS-TiAlN ha una durezza di 34 GPa mentre il modulo di Young è di 377 GPa; il rapporto tra durezza e modulo di Young è una misura della tenacità del rivestimento. Una maggiore durezza e un modulo di Young minore significano una maggiore tenacità. Il rivestimento HIPIMS-TiAlN ha una migliore stabilità alle alte temperature, con la precipitazione della fase esagonale di AlN nel rivestimento TiAlN convenzionale dopo il trattamento di ricottura ad alta temperatura a 1.000 °C per 4 ore. La durezza del rivestimento diminuisce ad alta temperatura, mentre il rivestimento HIPIMS-TiAlN rimane invariato dopo il trattamento termico alla stessa temperatura e per lo stesso tempo. Il rivestimento HIPIMS-TiAlN presenta inoltre una temperatura di inizio dell'ossidazione ad alta temperatura più elevata rispetto ai rivestimenti convenzionali. Pertanto, il rivestimento HIPIMS-TiAlN mostra prestazioni nettamente superiori negli utensili da taglio ad alta velocità rispetto ad altri utensili rivestiti preparati con il processo PVD.