HiPIMS技術の紹介

高出力パルスマグネトロンスパッタリングの原理
高出力パルスマグネトロンスパッタリング技術では、高いピークパルス電力（従来のマグネトロンスパッタリングよりも2〜3桁高い）と低いパルスデューティサイクル（0.5％〜10％）を使用して、高い金属解離率（> 50％）を実現します。これは、図1に示すように、マグネトロンスパッタリング特性に由来し、ピークターゲット電流密度Iは、放電電圧Uの指数n乗に比例し、I = kUn（nはカソード構造、磁場、および材料に関連する定数です）。より低い電力密度（低電圧）では、n値は通常5〜15の範囲です。放電電圧が増加すると、電流密度と電力密度が急速に増加し、高電圧では磁場の閉じ込めが失われるためn値は1になります。低電力密度の場合、ガス放電は通常のパルス放電モードにあるガスイオンによって決まります。高電力密度では、プラズマ内の金属イオンの割合が増加し、一部の材料が切り替わる場合、つまり自己スパッタリング モードの場合、プラズマは、スパッタされた中性粒子と二次金属イオンのイオン化によって維持され、Ar などの不活性ガス原子はプラズマを点火するためにのみ使用され、その後、スパッタされた金属粒子はターゲットの近くでイオン化され、磁場と電場の作用下でスパッタされたターゲットに衝突するように加速され、高電流放電が維持され、プラズマは高度にイオン化された金属粒子になります。スパッタリングプロセスはターゲットに加熱効果をもたらすため、産業用途でのターゲットの安定動作を確保するために、ターゲットに直接適用される電力密度は大きすぎてはならず、一般に、直接水冷の場合、ターゲット材料の熱伝導率は25 W / cm2以下にする必要があります。間接水冷の場合、ターゲット材料の熱伝導率が悪い、ターゲット材料が熱応力による断片化を引き起こす、またはターゲット材料に低揮発性合金成分が含まれるなどの場合は、電力密度は2〜15 W / cm2以下にしかできず、高電力密度の要件をはるかに下回っています。ターゲットの過熱の問題は、非常に狭い高電力パルスを使用することで解決できます。アンダースは、高電力パルスマグネトロンスパッタリングを、ピーク電力密度が平均電力密度を2〜3桁超えるパルススパッタリングの一種と定義し、ターゲットイオンスパッタリングがスパッタリングプロセスを支配し、ターゲットスパッタリング原子が高度に解離しています。

No.2 高出力パルスマグネトロンスパッタリングコーティングの成膜特性

高出力パルスマグネトロンスパッタリングは、高い解離速度と高いイオンエネルギーを持つプラズマを生成し、バイアス圧力を印加することで荷電イオンを加速し、高エネルギー粒子をコーティング堆積プロセスに衝突させるという典型的なIPVD技術です。イオンエネルギーとその分布は、コーティングの品質と性能に非常に重要な影響を与えます。
IPVDについて、有名なThorton構造領域モデルに基づいて、Andersはプラズマ蒸着とイオンエッチングを組み込んだ構造領域モデルを提案し、Thorton構造領域モデルにおけるコーティング構造と温度および気圧の関係を、図2に示すようにコーティング構造、温度およびイオンエネルギーの関係に拡張しました。低エネルギーイオン蒸着コーティングの場合、コーティング構造はThorton構造ゾーンモデルに準拠しています。蒸着温度の上昇に伴い、領域1（緩い多孔質繊維結晶）から領域T（高密度繊維結晶）、領域2（柱状結晶）、領域3（再結晶領域）に遷移し、蒸着イオンエネルギーの増加に伴い、領域1から領域T、領域2、領域3への遷移温度は低下します。高密度繊維結晶および柱状結晶は低温で作製できます。蒸着イオンのエネルギーが1～10eV程度まで増加すると、蒸着コーティング表面へのイオンの衝撃とエッチングが強化され、コーティングの厚さが増加します。

No.3 高出力パルスマグネトロンスパッタリング技術によるハードコート層の形成
高出力パルスマグネトロンスパッタリング技術で製造されたコーティングは、より密度が高く、機械特性と高温安定性に優れています。図3に示すように、従来のマグネトロンスパッタリングによるTiAlNコーティングは、硬度30GPa、ヤング率460GPaの柱状結晶構造です。HIPIMS-TiAlNコーティングは硬度34GPa、ヤング率は377GPaです。硬度とヤング率の比率は、コーティングの靭性の尺度です。硬度が高くヤング率が小さいほど、靭性が優れていることを意味します。HIPIMS-TiAlNコーティングは、1,000℃で4時間の高温アニール処理後、従来のTiAlNコーティングにAlN六方相が析出しており、高温でコーティングの硬度が低下しますが、HIPIMS-TiAlNコーティングは同じ温度と時間で熱処理後も変化しません。 HIPIMS-TiAlNコーティングは、従来のコーティングよりも高温酸化の開始温度が高いため、PVDプロセスでコーティングされた他の工具よりも高速切削工具においてはるかに優れた性能を発揮します。