HiPIMSテクノロジーの紹介

第１に、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は、高ピークパルス電力（従来のマグネトロンスパッタリングよりも2～3桁高い）と低パルスデューティサイクル（0.5～10%）を使用して、高金属解離率（>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から導き出され、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は陰極構造、磁場、材料に関連する定数）となります。低電力密度（低電圧）では、nの値は通常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、高電圧では磁場閉じ込めの喪失によりnの値が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のガスイオンによって決定されます。高出力密度では、プラズマ中の金属イオンの割合が増加し、一部の材料が切り替わります。つまり、自己スパッタリングモードです。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の点火にのみ使用されます。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、磁場と電場の作用により加速されてスパッタされたターゲットに衝突し、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。ターゲットの加熱効果によるスパッタリングプロセスのため、産業用途でターゲットの安定した動作を確保するには、ターゲットに直接印加される電力密度をあまり大きくすることはできません。一般的に、直接水冷でターゲット材料の熱伝導率が高い場合は 25 W / cm2 以下、間接水冷でターゲット材料の熱伝導率が低い場合、ターゲット材料が熱応力によって断片化する場合、またはターゲット材料に低揮発性合金成分が含まれている場合などの場合は、電力密度は 2 ~ 15 W / cm2 以下でなければならず、高電力密度の要求をはるかに下回ります。ターゲットの過熱の問題は、非常に狭い高出力パルスを使用することで解決できます。アンダースは、高出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 桁上回り、ターゲットイオンのスパッタリングがスパッタリングプロセスを支配し、ターゲットのスパッタリング原子が高度に解離するパルススパッタリングの一種と定義しています。

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成膜の特性

高出力パルスマグネトロンスパッタリングは、高い解離率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して荷電イオンを加速させ、高エネルギー粒子によるコーティング堆積プロセスを行う、典型的なIPVD技術である。イオンエネルギーと分布は、コーティングの品質と性能に非常に重要な影響を与える。
IPVDについては、有名なソーントン構造領域モデルに基づいて、アンダースはプラズマ堆積とイオンエッチングを含む構造領域モデルを提案し、ソーントン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堆積コーティングの場合、コーティング構造はソーントン構造ゾーンモデルに適合します。堆積温度の上昇に伴い、領域1（緩い多孔質繊維結晶）から領域T（密な繊維結晶）、領域2（柱状結晶）、および領域3（再結晶領域）への遷移が起こります。堆積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、および領域3への遷移温度は低下します。高密度の繊維結晶および柱状結晶は低温で準備できます。堆積イオンのエネルギーが1～10 eVのオーダーに増加すると、堆積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硬質コーティング層の作製
高出力パルスマグネトロンスパッタリング技術で作製したコーティングは、より緻密で、機械的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法で作製したTiAlNコーティングは、硬度30 GPa、ヤング率460 GPaの柱状結晶構造です。一方、HIPIMS-TiAlNコーティングは、硬度34 GPa、ヤング率377 GPaです。硬度とヤング率の比は、コーティングの靭性の指標となります。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、高温安定性に優れています。従来のTiAlNコーティングでは、1,000℃で4時間高温アニーリング処理を行った後、六方晶AlN相が析出しました。高温では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した後も変化しません。 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。そのため、HIPIMS-TiAlNコーティングは、PVDプロセスで製造された他のコーティング工具よりも、高速切削工具において遥かに優れた性能を発揮する。