HiPIMS 기술 소개

고출력 펄스 마그네트론 스퍼터링의 원리
고전력 펄스 마그네트론 스퍼터링 기술은 높은 피크 펄스 전력(기존 마그네트론 스퍼터링보다 2~3배 더 높음)과 낮은 펄스 듀티 사이클(0.5%~10%)을 사용하여 높은 금속 해리율(>50%)을 달성합니다. 이는 그림 1에 표시된 마그네트론 스퍼터링 특성에서 파생됩니다. 여기서 피크 타겟 전류 밀도 I는 방전 전압 U의 지수 n승에 비례합니다. I = kUn(n은 캐소드 구조, 자기장 및 재료와 관련된 상수)입니다. 낮은 전력 밀도(저전압)에서 n 값은 일반적으로 5~15 범위에 있습니다. 방전 전압이 증가함에 따라 전류 밀도와 전력 밀도가 급격히 증가하고 고전압에서는 자기장 제한이 손실되어 n 값이 1이 됩니다. 낮은 전력 밀도에서 가스 방전은 일반 펄스 방전 모드에 있는 가스 이온에 의해 결정됩니다. 고출력 밀도에서 플라즈마 내 금속 이온의 비율이 증가하고 일부 재료가 전환되는 경우, 즉 셀프 스퍼터링 모드에 있는 경우, 즉 플라즈마는 스퍼터링된 중성 입자와 2차 금속 이온의 이온화에 의해 유지되고, Ar과 같은 불활성 가스 원자는 플라즈마를 점화하는 데만 사용되고, 그 후 스퍼터링된 금속 입자는 타겟 근처에서 이온화되고 가속되어 자기장과 전기장의 작용으로 스퍼터링된 타겟을 포격하여 고전류 방전을 유지하고, 플라즈마는 고도로 이온화된 금속 입자입니다. 스퍼터링 공정은 타겟에 대한 가열 효과를 가지므로 산업 응용 분야에서 타겟의 안정적인 작동을 보장하기 위해 타겟에 직접 적용되는 전력 밀도는 너무 클 수 없습니다. 일반적으로 직접 수냉 및 타겟 재료 열전도도는 25 W/cm2 이하이어야 합니다. 간접 수냉, 타겟 재료 열전도도가 좋지 않거나 열 응력으로 인한 파편화로 인해 타겟 재료가 발생하거나 타겟 재료에 휘발성이 낮은 합금 성분이 포함되어 있는 경우 전력 밀도는 2 ~ 15 W/cm2 이하로 제한되어 고전력 밀도 요구 사항을 크게 밑돌 수 있습니다. 타겟 과열 문제는 매우 좁은 고전력 펄스를 사용하여 해결할 수 있습니다. Anders는 고전력 펄스 마그네트론 스퍼터링을 피크 전력 밀도가 평균 전력 밀도를 2 ~ 3 자릿수 초과하고 타겟 이온 스퍼터링이 스퍼터링 공정을 지배하며 타겟 스퍼터링 원자가 고도로 해리되는 펄스 스퍼터링의 한 종류로 정의합니다.

No.2 고출력 펄스 마그네트론 스퍼터링 코팅 증착의 특성

고출력 펄스 마그네트론 스퍼터링은 높은 해리 속도와 높은 이온 에너지를 갖는 플라즈마를 생성할 수 있으며, 바이어스 압력을 가하여 대전된 이온을 가속할 수 있습니다. 코팅 증착 공정은 고에너지 입자에 의해 충격을 받는데, 이는 전형적인 IPVD 기술입니다. 이온 에너지와 분포는 코팅 품질과 성능에 매우 중요한 영향을 미칩니다.
IPVD에 관하여, Anders는 유명한 Thorton 구조 영역 모델을 기반으로 플라즈마 증착과 이온 에칭을 포함하는 구조 영역 모델을 제안하였고, Thorton 구조 영역 모델에서 코팅 구조와 온도 및 기압 간의 관계를 코팅 구조, 온도 및 이온 에너지 간의 관계로 확장하였습니다(그림 2 참조). 저에너지 이온 증착 코팅의 경우, 코팅 구조는 Thorton 구조 영역 모델을 따릅니다. 증착 온도가 증가함에 따라 영역 1(느슨한 다공성 섬유 결정)에서 영역 T(조밀한 섬유 결정), 영역 2(기둥형 결정) 및 영역 3(재결정 영역)으로의 전이가 발생합니다. 증착 이온 에너지가 증가함에 따라 영역 1에서 영역 T, 영역 2 및 영역 3으로의 전이 온도가 감소합니다. 고밀도 섬유 결정과 기둥형 결정은 저온에서 제조될 수 있습니다. 증착된 이온의 에너지가 1~10eV 수준으로 증가하면 증착된 코팅 표면에 대한 이온의 충격과 에칭이 강화되고 코팅의 두께가 증가합니다.

No.3 고출력 펄스 마그네트론 스퍼터링 기술을 이용한 경질코팅층 제조
고출력 펄스 마그네트론 스퍼터링 기술로 제조된 코팅은 더 조밀하고, 더 나은 기계적 특성과 고온 안정성을 갖는다.그림 3에서 볼 수 있듯이, 기존의 마그네트론 스퍼터링 TiAlN 코팅은 30 GPa의 경도와 460 GPa의 영률을 갖는 주상 결정 구조이다.HIPIMS-TiAlN 코팅은 34 GPa의 경도와 377 GPa의 영률을 갖는다.경도와 영률의 비율은 코팅의 인성을 측정하는 척도이다.경도가 높고 영률이 작을수록 인성이 더 좋다.HIPIMS-TiAlN 코팅은 더 나은 고온 안정성을 가지며, 1,000°C에서 4시간 동안 고온 어닐링 처리 후 기존 TiAlN 코팅에 AlN 육방정계 상이 석출된다.코팅의 경도는 고온에서 감소하는 반면, HIPIMS-TiAlN 코팅은 동일한 온도와 시간에서 열처리한 후에도 변화가 없다. HIPIMS-TiAlN 코팅은 기존 코팅보다 고온 산화 개시 온도가 더 높습니다. 따라서 HIPIMS-TiAlN 코팅은 PVD 공정으로 제조된 다른 코팅 공구보다 고속 절삭 공구에서 훨씬 우수한 성능을 보입니다.