מבוא לטכנולוגיית HiPIMS

עקרון מס' 1 של התזה מגנטרונית פעימה בעוצמה גבוהה
טכניקת ההתזה המגנטרונית בפעימה גבוהה משתמשת בהספק פעימה שיא גבוה (גבוה ב-2-3 סדרי גודל בהשוואה להתזה מגנטרונית קונבנציונלית) ומחזור פעולה נמוך של פעימה (0.5%-10%) כדי להשיג שיעורי דיסוציאציה גבוהים של מתכת (>50%), הנגזרים ממאפייני ההתזה של המגנטרון, כפי שמוצג בתמונה 1, כאשר צפיפות הזרם השיא I פרופורציונלית לחזקה ה-n האקספוננציאלית של מתח הפריקה U, I = kUn (n הוא קבוע הקשור למבנה הקתודה, לשדה המגנטי ולחומר). בצפיפויות הספק נמוכות יותר (מתח נמוך) ערך ה-n הוא בדרך כלל בטווח של 5 עד 15; עם העלייה במתח הפריקה, צפיפות הזרם וצפיפות ההספק עולים במהירות, ובמתח גבוה ערך ה-n הופך ל-1 עקב אובדן כליאה של השדה המגנטי. אם בצפיפויות הספק נמוכות, פריקת הגז נקבעת על ידי יוני גז הנמצאים במצב פריקה בפעימה רגיל; אם בצפיפויות הספק גבוהות, שיעור יוני המתכת בפלזמה עולה וחלק מהחומרים עוברים, כלומר למצב התזה עצמית, כלומר הפלזמה נשמרת על ידי יינון של חלקיקים ניטרליים ויוני מתכת משניים שהתזהו, ואטומי גז אינרטיים כמו ארצי משמשים רק להצתת הפלזמה, ולאחר מכן חלקיקי המתכת שהתזהו מיוננים ליד המטרה ומואצים חזרה כדי להפציץ את המטרה שהתזהו תחת פעולת שדות מגנטיים וחשמליים כדי לשמור על פריקת זרם גבוהה, והפלזמה היא חלקיקי מתכת מיוננים מאוד. בשל תהליך ההתזה של אפקט החימום על המטרה, על מנת להבטיח פעולה יציבה של המטרה ביישומים תעשייתיים, צפיפות ההספק המופעלת ישירות על המטרה לא יכולה להיות גדולה מדי. בדרך כלל, קירור מים ישיר ומוליכות תרמית של חומר המטרה צריכים להיות מתחת ל-25 וואט/סמ"ר, קירור מים עקיף, מוליכות תרמית של חומר המטרה ירודה, חומר המטרה נגרם כתוצאה מפיצול עקב לחץ תרמי או חומר המטרה מכיל רכיבי סגסוגת נדיפים נמוכים, ובמקרים אחרים צפיפות ההספק יכולה להיות מתחת ל-2 ~ 15 וואט/סמ"ר בלבד, הרבה מתחת לדרישות של צפיפות הספק גבוהה. ניתן לפתור את בעיית התחממות יתר של המטרה באמצעות פולסים צרים מאוד בעלי הספק גבוה. אנדרס מגדיר התזה מגנטרונית פועמת בהספק גבוה כסוג של התזה פועמת שבה צפיפות ההספק השיא עולה על צפיפות ההספק הממוצעת ב-2 עד 3 סדרי גודל, והתזה של יוני המטרה שולטת בתהליך ההתזה, ואטומי ההתזה של המטרה מנותקים מאוד.

מס' 2 המאפיינים של ציפוי התזה מגנטרון פעמו בעוצמה גבוהה

התזה מגנטרונית פעימתית בעוצמה גבוהה יכולה לייצר פלזמה עם קצב דיסוציאציה גבוה ואנרגיית יונים גבוהה, ויכולה להפעיל לחץ הטיה כדי להאיץ את היונים הטעונים, ותהליך שקיעת הציפוי מופגז על ידי חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה, שהיא טכנולוגיית IPVD טיפוסית. לאנרגיית היונים ולפיזורם יש השפעה חשובה מאוד על איכות הציפוי וביצועיו.
לגבי IPVD, בהתבסס על מודל האזור המבני המפורסם של ת'ורטון, אנדרס הציע מודל אזור מבני הכולל שקיעת פלזמה ואכילת יונים, והרחיב את הקשר בין מבנה הציפוי לטמפרטורה ולחץ אוויר במודל האזור המבני של ת'ורטון לקשר בין מבנה הציפוי, טמפרטורה ואנרגיית יונים, כפי שמוצג בתמונה 2. במקרה של ציפוי שקיעת יונים באנרגיה נמוכה, מבנה הציפוי תואם את מודל אזור המבנה של ת'ורטון. עם עליית טמפרטורת השקיעה, המעבר מאזור 1 (גבישי סיבים נקבוביים רופפים) לאזור T (גבישי סיבים צפופים), אזור 2 (גבישים עמודיים) ואזור 3 (אזור התגבשות מחדש); עם עליית אנרגיית יוני השקיעה, טמפרטורת המעבר מאזור 1 לאזור T, אזור 2 ואזור 3 יורדת. ניתן להכין גבישי סיבים וגבישים עמודיים בצפיפות גבוהה בטמפרטורה נמוכה. כאשר אנרגיית היונים שהופקדו עולה לסדר גודל של 1-10 eV, ההפצצה והאיכול של יונים על פני הציפוי שהופקדו משתפרות ועובי הציפויים גדל.

מס' 3 הכנת שכבת ציפוי קשה על ידי טכנולוגיית התזה מגנטרונית בעוצמה גבוהה
הציפוי שהוכן בטכנולוגיית התזה מגנטרונית בפעימה גבוהה הוא צפוף יותר, עם תכונות מכניות טובות יותר ויציבות בטמפרטורה גבוהה. כפי שמוצג בתמונה 3, ציפוי TiAlN המגונטרוני הקונבנציונלי הוא בעל מבנה גבישי עמודתי עם קשיות של 30 GPa ומודולוס יאנג של 460 GPa; ציפוי HIPIMS-TiAlN הוא בעל קשיות של 34 GPa בעוד שמודולוס יאנג הוא 377 GPa; היחס בין הקשיות למודול יאנג הוא מדד לקשיחות הציפוי. קשיות גבוהה יותר ומודולוס יאנג קטן יותר פירושם קשיחות טובה יותר. לציפוי HIPIMS-TiAlN יש יציבות טובה יותר בטמפרטורה גבוהה, כאשר פאזה משושה של AlN שוקעת בציפוי TiAlN הקונבנציונלי לאחר טיפול חישול בטמפרטורה גבוהה ב-1,000 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות. קשיות הציפוי יורדת בטמפרטורה גבוהה, בעוד שציפוי HIPIMS-TiAlN נשאר ללא שינוי לאחר טיפול בחום באותה טמפרטורה וזמן. לציפוי HIPIMS-TiAlN יש גם טמפרטורת התחלה גבוהה יותר של חמצון בטמפרטורה גבוהה בהשוואה לציפוי קונבנציונלי. לכן, ציפוי HIPIMS-TiAlN מציג ביצועים טובים בהרבה בכלי חיתוך במהירות גבוהה בהשוואה לכלים מצופים אחרים שהוכנו בתהליך PVD.